VII AUTOMATIZACIJA I UPRAVLJANJE PROCESIMA U NAFTNOJ I GASNOJ TEHNICI

VII 1. UVOD Pod pojmom naftna i gasna tehnika se podrazumevaju dve tehničke

discipline od kojih prva – naftna tehnika predstavlja deo naftnog rudarstva i tiče se proizvodnje, pripreme i transporta nafte i prirodnog gasa, dok se pojam gasna tehnika najčešće odnosi na sisteme distribucije i korišćenja prirodnog gasa. Međutim, delimična istovetnost razmatranog fluida (prirodni gas), a još više sličnost (ili istovetnost) opreme i uređaja koji se koriste u sistemima automatskog upravljanja procesima u njima, dozvoljavaju da se problematika automatizacije i upravljanja procesima u naftnoj i gasnoj tehnici zajednički razmatra.

Istorijski posmatrano, neki od najranijih primera primene automatskih uređaja u modernom dobu, su vezani za ove oblasti primene. Samuel Clegg je konstruisao 1807. godine regulator za upravljanje pritiskom u gasovodu gradske plinare (gas je dobijen iz uglja i korišćen za osvetljenje ulica), a postoje podaci i da su najraniji sistemi eksploatacije, pripreme i transporta nafte i prirodnog gasa (druga polovina XIX veka) bili opremljeni mehničkim uređajima za regulaciju nivoa, pritiska i protoka. Prvi patent regulatora pritiska koji se koristio u naftnoj i gasnoj tehnici se pojavio 1884. godine u SAD-u. U periodu od 1925. do 1945. godine patentirano je nekoliko hiljada različitih tipova samo jednog specifičnog regulatora pritiska - gaslift ventila, a pravu revoluciju u naftnoj industriji je izazvao W.R.King (1940.godine) uvodeći u gaslift ventil – regulator komoru ispunjenu komprimovanim gasom. Od 60-ih godina XX veka razvoj sistema automatizacije i upravljanja ovim procesima je vezan za razvoj računarske tehnike i formiranje akviziciono-upravljačkih sistema koji omogućuju integraciju prostorno vrlo dislociranih objekata (naftna i gasna polja, naftovodi, gasovodi, sistemi distribucije gasa) radi efikasnog praćenja i upravljanja njihovim radom.

274

VII 2. GRAFIČKO PREDSTAVLJANJE PROCESA U NAFTNOJ I GASNOJ TEHNICI

Postoji više standardnih načina predstavljanja sistema automatskog

upravljanja koji daju različite nivoe opštosti i detaljnosti. Simboličko-funkcionalne šeme pružaju mogućnost lakog razumevanja funkcionisanja i konstrukcije razmatranog sistema, ali su nepodesne sa stanovišta primene u naftnoj i gasnoj tehnici. Ovo pre svega iz razloga što je za procese u naftnoj i gasnoj tehnici karakteristično da se radi o čitavom nizu međusobno povezanih i uslovljenih procesa čije bi detaljno priprikazivanje bilo nepotrebno, s obzirom da se radi o uglavnom standardnim komponentama (cevovodi, ventili, sigurnosna oprema, standardni davači) i iziskivalo bi priličnu veštinu za kreiranje crteža koji bi se vrlo teško standardizovali. Takođe, označavanje alarmnih funkcija, prisustva pokazivača i pisača ili različitih računarskih funkcija je prilično teško izvodljivo. Korišćenje strukturnih dijagrama (opštih i detaljnih) je sa druge strane, vrlo pogodno za razumevanje tokova informacija i upravljanja, ali ne daje nikakvu informaciju o tokovima materije i energije.

VII 2.1. P&I dijagrami U procesnoj tehnici je za prikazivanje sistema automatizacije i upravljanja

procesima usvojeno predstavljanje u obliku P&I (engl. Process and Instrumentation) dijagrama. P&I dijagrami predstavljaju šeme tehnološkog procesa, koja daju tokove materijala, energije i informacija, i kao takve predstavljaju vezu između procesnog inženjera/tehnologa procesa i inženjera zaduženog za instrumentaciju i realizaciju upravljačkih algoritama. Prednost P&I dijagrama je u tome što obezbeđuju konzistentno i nezavisno (u odnosu na različite tehnološke procese) označavanje merenih instrumenata i sistema automatizacije i upravljanja, koje može svako tehnički obrazovano lice lako da razume.

Na P&I dijagramima su elementi procesne opreme (ventili, cevovodi, razmernjivači toplote), signalne linije (tok informacije) i merno-regulaciona oprema prikazani standardnim oznakama. Standardi koji usaglašeno pokrivaju ovu oblast su JUS IEC 4617-6 i JUS ISO 3511, odnosno noviji ISO 14617 and IEC 60617. Primer simboličko funkcionalne šeme, P&I dijagrama i detaljnog strukturnog dijagrama sistema automatskog upravljanja čiji je neposredni zadatak održavanje konstantnog protoka fluida u cevovodu /9/, prikazan je na sl. VII 2.1.

U odnosu na strukturni dijagram, na P&I dijagramu suženje u cevovodu je prikazano standardnim simbolom, dok je ceo hidraulički korekcioni organ (razvodnik i hidraulička instalacija) prikazan drugim simbolima i odgovarajućom linijskom oznakom za hidrauličke vodove. Krugovi sa slovnim oznakama označavaju da se radi o transmiteru i regulatoru protoka koji se nalaze na lokaciji u

275 polju. Za ventil sa hidrauličkim aktuatorom je takođe, upotrebljena standardna oznaka. Dakle, nema gubitka informacija od značaja, a inženjeri različitih profila su u mogućnosti da na bazi P&I dijagrama razumeju princip funkcionisanja predloženog sistema upravljanja.

Sl. VII 2.1.

FC

FT

Du Di

276 VII 2.2. P&ID dijagrami P&ID (engl. Piping and Instrumentation Diagram) dijagrami predstavljaju

specijalizovane P&I dijagrame koji se najčešće koriste u naftnoj i gasnoj tehnici i koji su izrađeni prema standardu ANSI/ISA S5.1-1984 (R 1992). U Dodatku B su date oznake za identifikaciju i označavanje prema ovom standardu (korišćenjem grafičkih elemenata, alfa-numeričkog identifikacionog koda, skraćenica, funkcionalnih blokova i linija spajanja.). Ovaj stadard je uglavnom usaglašen sa prethodno navedenim ISO i IEC standardima.

ANSI/ISA S5.1 standard definiše četiri grafička elementa: − pojedinačni element, − izdvojena regulacija/pokazivač (engl. display), − računarska funkcija , − programibilni logički regulator (engl. Programmable Logic Controller-

PLC). Ovi grafički elementi se dodatno označavaju prema položaju: − primarna lokacija kojoj operater lako pristupa (npr. instrument na

komandnoj tabli), − pomoćna lokacija i − instrument montiran na objektu (u polju). Pojedinačni instrumenti (merni elementi, pokazivači, pisači, regulatori,

uređaji za signalizaciju) su označeni krugom. Izdvojena regulacija/pokazivač se prikazuje kvadratom u koji je upisan krug. Heksagon (šestougao) je oznaka računarske funkcije a prisustvo PLC-a se prikazuje za 90° rotiranim kvadratom upisanim u drugi kvadrat. Dodatak horizontalne linije na bilo koji prethodno opisani grafički element znači da razmatrana funkcija ima primarnu lokaciju, dvostruka linija označava pomoćnu lokaciju (kojoj operater još uvek ima pristup), dok nepostojanje linije znači da je objekat montiran na objektu (u polju). Uređaj postavljen iza komandne table ili na nekoj drugoj operateru nedostupnoj lokaciji je označen isprekidanom horizontalnom linijom.

Sistem slovnih oznaka, unutar grafičkih elemenata koji označavaju merno-regulacionu opremu, definiše procesnu veličinu koja se meri, reguliše, signalizira, itd. Prvo slovo definiše merenje ili uvođenje veličine (pritisak–P, temperatura–T, protok–F, nivo-L, analiza/sastav-A, itd.). Drugo slovo u nekim slučajevima može biti dodatna oznaka koja bliže objašnjava prethodno uvedenu veličinu (razlika-D, odnos-F, suma-Q, itd.), ali je najčešće pozicija za definisanje funkcije instrumenta (merenje/transmiter–T, prikazivanje/indikacija–I, zapisivanje/registracija–R, upra-vljanje–C, signalizacija/alarm–A, itd.). Kombinacije koje se najčešće sreću na tehnološkim šemama i šemama cevovoda i instrumenata u naftnoj i gasnoj tehnici prikazane su posebnom tabelom u Dodatku B. Korišćenje brojčanih oznaka nije standardizovano, već je prepušteno korisniku, tako da je nekad to samo brojčani

277 niz, u drugim slučajevima se radi o brojevima vezanim za odgovarajuće procesne oznake, itd.

Na sl. VII 2.2. dat je primer jednog P&ID dijagrama sistema za grejanje nafte. Nafta promenljive ulazne temperature i protoka se u razmenjivaču toplote 1 greje na propisanu, željenu temperaturu. Na primarnu stranu razmenjivača toplote se dovodi vrela voda, čiji je protok moguće podešavati korišćenjem ventila 2.

Sl. VII 2.2.

Temperatura nafte na izlazu iz razmenjivača se meri i transmiterom TT 101 u vidu električnog signala šalje do regulatora temperature - TIC 101. Ovaj regulator je fizički realizovan kao izdvojen uređaj na kome je moguće i očitati vrednost temperature. Izlaz iz regulatora TIC 101 se formira na osnovu izmerene temperature i željene vrednosti (engl. setpoint – SP) temperature. Ovaj izlaz definiše neophodnu, željenu vrednost protoka grejnog fluida - vode, potrebnu za postizanje željene temperature fluida koji se greje – nafte. Ova informacija se šalje softverskom vezom (linija sa kružićima) regulatoru protoka FIC 101.

Uređaj FT 101 predstavlja transmiter protoka vrele vode postavljen na objektu (u polju) koji šalje električni signal (isprekidana linija) do regulatora protoka sa indikatorom FIC 101. Informacija o protoku se dobija posredno, merenjem pada pritiska na mernoj blendi 3 (prikazana simbolički). Regulator protoka sa indikatorom, FIC 101, predstavlja izdvjeni uređaj sa pokazivačem na kome se može očitati protok. Simbol kvadratnog korena na ulaznom kanalu prema transmiteru protoka, opisuje zavisnost protoka od pada pritiska, odnosno princip obrade ovog ulaza u regulatoru.

Regulator protoka FIC 101, ukoliko postoji razlika između stvarnog i željenog protoka formira izlaz, električni signal prema uređaju TY 101. Uređaj TY 101 je postavljen na lokaciji koja je nepristupačna ili iza komandne table i predstavlja strujno/pneumatski transdjuser, odnosno uređaj koji na bazi ulaznog električnog signala formira pneumatski signal koji deluje na pneumatski

D

xi = T

1 2

3

FIC 101

TIC 101

YIC 101

TY 101

FT 101

TT 101

SP-F SP-T

278 membranski motor i otvara ili zatvara upravljački ventil 2. Na ovaj nači se ostvaruje jedan složeni, kaskadni sistem upravljanja - upravljanje temperaturom u zatvorenom kolu dejstva (SAR) i upravljanje protokom u otvorenom kolu. Detaljni strukturni dijagramom ovog SAU je prikazan na sl. VII 2.3.

Sl. VII 2.3. P&ID dijagrami pružaju mogućnost daljeg formiranja oznaka od strane korisnika, za određene upravljačke ili merne sklopove koji će se onda više puta ponavljati na dijagramima u okviru projekta. Primer korišćenja te mogućnosti je oznaka uređaja YIC 101 koji služi kao daljinski aktiviran zasun, a prikazan je na P&ID dijagramu sa sl. VII 2.2. Na sl. VII 2.4. je definisan opšti tip (YIC xx) ovog uređaja. Zasun je ventil koji može da bude u jednom od dva stanja – otvoren ili zatvoren (on/off ventil). Takva funkcija se u ovom slučaju postiže korišćenjem ventila sa pneumatskim cilindrom kao aktuatorom. Vazduh za instrumentaciju se u pneumatski cilindar dovodi preko trokrakog ventila sa elektro-mehaničkim, solenoidnim aktuatorom. Solenoid ovog ventila se aktivira/deaktivira na osnovu signala iz PLC uređaja i spaja komore pneumatskog cilindra sa vodom za napajanje vazduhom ili sa odušnim vodom. Zasun je opremljen sa graničnicima/prekidačima koji označavaju stanje potpune otvorenosti (ZSH) i potpune zatvorenosti (ZSL) ventila. Slovo Y označava događaj ili stanje uređaja (u ovom slučaju otvoren ili zatvoren zasun), slovo I znači da se to stanje očitava, a C je oznaka za prisustvo regulacione petlje.

Sl. VII 2.4.

Vazduh za instrumentaciju

YIC element

ZSH xxx

ZSL xxx

YIC xxx

S

FIC 2 1

FT

TIC

3 D

TY

TT

xi = T SP-T SP-F

279

VII 3. AKVIZICIONO-UPRAVLJAČKI SISTEMI U NAFTNOJ I GASNOJ TEHNICI S obzirom na složenost i multidisciplinarnost procesa, pod pojmom

automatizacije i upravljanja procesima u naftnoj i gasnoj tehnici se podrazumevaju, pored lokalne automatike - kojom se obezbeđuje automatski rad određenih uređaja, i akviziciono-upravljački sistemi za automatsko prikupljanje relevantnih podataka vezanih za funkcionisanje tehnoloških procesa (proizvodnja, priprema, transport, distribucija), obradu prikupljenih podataka i upravljanje na osnovu njih. Često se automatizovanim sistemima ovde nazivaju i čisto akvizicioni sistemi koji poseduju samo sposobnost automatskog prikupljanja, odnosno prikupljanje i obrade podataka.

Jedan od prvih sistema koji je automatski vršio akviziciju merenih veličina i parametara stanja sistema za sabiranje, pripremu i otpremu nafte i gasa je bio poznat pod imenom LAST (engl. Lease Automatic Custody Transfer) i prvi put je primenjen 1954. godine u SAD. Već krajem '60-ih godina 60-70% proizvedene nafte je išlo preko tako praćenih sistema. Početak ’60-ih je označio i početak upravljanja proizvodnjom pomoću računara (engl. Computer Production Control System), najpre analognih, da bi se sredinom šezdesetih godina, javili prvi pokušaji primene digitalnih elektronskih uređaja u oblasti nadzora i upravljanja ovim procesima. Zahvaljujući izvanrednom tehnološkom napretku u oblasti mikroelektronike i samog računarstva, do tada u potpunosti analogni upravljački sistemi postepeno su obogaćivani digitalnim komponentama na različitim hijerarhijskim nivoima upravljanja. Na taj način je formiran koncept akviziciono - upravljačkih sistema (AUS) baziranih na upotrebi računara i digitalnih računarskih komponenti čiji je osnovni cilj obezbeđenje efikasnog nadzora i upravljanja nad tehnološkim procesima. U prvim sistemima koji su razvijeni za ove potrebe računari su korišćeni za prikupljanje, registrovanje i obradu prikupljenih podatke o veličinama u sistemu, stanju opreme i sigurnosti procesa. Uloga dispečara, u ovim prvim "off line" sistemima, je bila da na osnovu tako dobijenih podataka interveniše ručno ili aktiviranjem sistema daljinskog upravljanja. Nakon toga je usledio razvoj "on line" sistema direktnog računarskog upravljanja, gde je računar preuzeo i ulogu daljinskog upravljanja. Krajem '60-ih godina je već oko 40 "on line" sistema bilo u primeni u SAD. Daljinsko upravljanje je podrazumevalo i značajne modifikacije pre svega izvršnih organa (ventili i dr.) i njihovo prevođenje sa ručnog na automatsko daljinsko aktiviranje.

Evolucija korišćenja računara u AUS je prikazana na sl. VII 3.1. Prema načinu obrade informacija, prenosu podataka i operativnom upravljanju, mogu se prepoznati tri etape korišćenja računara u akviziciono-upravljačkim sistemima:

− direktno računarsko upravljanje (DDC – Direct Digital Control), − distribuirani upravljački sistemi (DCS - Distributed Control System) i − upravljački sistemi u polju (FCS - Field Control System)

280

Sl. VII 3.1.

Primena računara za potrebe upravljanja (DDC) je donela sve prednosti digitalne obrade informacija (mogućnost izvođenja komplikovanih algoritama upravljanja, arhiviranje i lak pregled podataka, fleksibilnost upravljačkih algoritama, itd.). Međutim, kako je korišćenje računara isplativo u sistemima sa velikim brojem upravljačkih petlji, javio se problem da upravljanje sa nekoliko stotina takvih petlji, uz korišćenje samo jednog računara, dovodi do niske pouzdanosti rada sistema. Takođe, u ovakvim sistemima jedan par žica se koristio za povezivanje uređaja u polju sa I/O (ulazno/izlaznom) karticom upravljačkog računara što je značajno podizalo cenu instalacije.

Nedostaci direktnog računarskog upravljanja su delimično rešeni uvođenjem prve generacije distribuiranih upravljačkih sistema. Ovi sistemi podrazumevaju uvođenje digitalnih akviziciono-upravljačkih jedinica koje su postavljene na nivou procesa (procesne jedinice) i koje mogu međusobno, kao i s hijerarhijski višim nivoima upravljanja, da komuniciraju digitalno. U danas preovlađujućem pristupu, procesne jedinice čine PLC uređaji i udaljene telemetrijske jedinice (engl. Remote Telemetry Unit - RTU) na kojima se izvršava najveći deo aplikativne upravljačke podrške. Svaka procesna jedinica je zadužena za akviziciju podataka sa više senzora i upravljanje sa više upravljačkih petlji, pri čemu je vezu sa instrumentacijom (transmiteri, pozicioneri, ...) najčešće ostvarena žično, analognim strujnim signalom. Hijerarhijski viši nivo upravljanja u principu vrši vizualizaciju procesa kojim se upravlja i nužnu komunikaciju sa ljudskom posadom (pokretanje i zaustavljanje rada, promena režima rada, podešavanje raznih parametara i sl)

Druga generacija distribuiranih upravljačkih sistema - upravljački sistemi u polju predstavljaju najnoviji korak u razvoju akviziciono-upravljačkih sistema. Ovaj koncept podrazumeva primenu računara (CPU-jedinice) u samim instrumentima (senzorima, transmiterima, aktuatorima, i sl.). Na ovaj način je upravljačka logika spuštena na najniži mogući nivo, a komunikacija digitalnim protokolom ostvarena u čitavom sistemu. Za razliku od prve generacije DCS, gde je otkaz jedne kartice na PLC-u mogao da dovede do ispada iz funkcije nekoliko upravljačkih petlji, kod FCS otkaz uređaja dovodi do otkaza samo jedne

281 upravljačke petlje.

Ako se posmatra izvođenje funkcija obrade informacija i formiranja upravljačkog algoritma, uočava se da FCS dovodi do njenog funkcionalnog i lokacijskog postavljanja na nivo ʺ″pametnihʺ″ (engl. smart) aktuatora i transmitera. Lokacija izvršenja npr. PID algoritma upravljanja kroz različite etape razvoja AUS je prikazano na sl. VII 3.1. Prednost FCS u odnosu na prvu generaciju DCS je i u količini informacija koja se razmenjuje između elementa u polju i hijerarhijski višeg nivoa upravljanja. Dok je kod klasičnih DCS od/ka transmitera/aktutoru išao standardni strujni analogni signal, sada je to digitalni signal sa daleko većim brojem informacija.

Kao primer različitog sadržaja informcije u zavisnosti od primenjenog AUS, na sl. VII 3.2. je prikazana komunikacija sa transmiterom nivoa. Za razliku od strujnog signala koji zahteva konverziju i dalju obradu, digitalni signal nosi direktne, odmah upotrebljive i znatno sadržajnije informacije (oznaka uređaja, jedinica mere, zapremina fluida u rezervoaru, stanju samog uređaja, stanje alarma, itd.).

Merenja (A/D)

Upravljanje (D/A)

Fizički proces

AUS

procesni U/I

Izvršni elementi

Senzori Prilagodni

blok

Sl. VII 3.3.

Struktura povezivanja akviziciono-upravljačkog sistema sa fizičkim procesom je prikazana šematski na sl. VII 3.3. Senzori i izvršni elementi obezbeđuju spregu sa procesom kojim se upravlja, i stoga čine osnovu merno-regulacionog dela akviziciono-upravljačkog sistema. Funkcije fizičke komunikacije AUS-a sa njima se vrše posredstvom podsistema procesnih ulazno/izlaznih (U/I) signala. Prilagodni blok vrši uobličavanje procesnih U/I signala i galvansko razdvajanje između procesnih uređaja i akviziciono-upravljačkog sistema. Kvalitet analognih komponenti u okviru prilagodnog bloka

FCS DCS

transmiter

Sl. VII 3.2.

282 direktno utiče na kvalitet merno/upravljačkih signala, kao i na pouzdanost ukupnog sistema. U jednoj široj definiciji /42/, pod akviziciono-upravljačkim sistemima se mogu podrazumevati sve električne komponente upravljačkog sistema, počev od mernih signala senzora, završno sa pobudnim kolom izvršnih elemenata.

Najniže u hijerarhiji nadzorno-upravljačkog sistema su senzori, tj. pretvarači neke fizičke veličine u ekvivalentni električni signal. Digitalizacijom ovakvih signala u okviru AUS-a, vrši se obuhvat merenih podataka (fizička akvizicija). Fizička akvizicija podataka se izvršava posredstvom tzv. procesnih ulaza. Procesni ulazi jednog AUS-a mogu biti analogni, brojački ili digitalni.

Nivo kontinualnog električnog signala (strujnog ili naponskog) na analognim ulazima AUS-a u svakom trenutku je proporcionalan trenutnoj vrednosti merene fizičke veličine. Tipični opsezi ulaznih električnih signala su: 4-20 mA, ±5V, 0-10 V, 0-100 mV i sl. Na ovaj način se mere pritisak, temperatura, masa i sl. Digitalizacija analognih ulaznih signala vrši se korišćenjem A/D konvertora. U praksi je očigledna tendencija da se digitalizacija električnog signala vrši već u sklopu samog pretvarača, korišćenjem tzv. "smart" transmitera.

Za brojačke ulaze je karakteristično da učestanost električnih impulsa koji se prihvataju predstavlja meru trenutne vrednosti fizičke veličine. Impulsni pretvarači se najčešće koriste za merenja protoka tečnosti ili gasova, merenje brzine rotacije (tahogenerator), ugla zakretanja i sl. Frekvencija generisanih impulsa u praksi je najčešće manja od 1 KHz, a njihov naponski nivo ne veći od 24 V jednosmerne struje. Pošto se u okviru AUS-a impulsni signali prihvataju posredstvom digitalnih brojačkih kola, ovi procesni ulazi se nazivaju brojačkim ulazima.

Digitalni ulazi predstavljaju fizičke veličine koje su, već po svojoj prirodi, diskretne. Najčešće se preko njih prati stanje izvršnih elemenata u postrojenju, kao što su ventili (otvoren/zatvoren) ili sklopke (uključena/isključena). Izvor ovakvih signala su i razni graničnici (puno/prazno, max/min, itd.), sigurnosni prekidači poput presostata (nadpritisak/normalno), i sl. Ulazni električni signal je naponski (24Vdc ili 220Vac).

Preko izvršnih elemenata (uređaja) utiče se na sam fizički proces, tj. ostvaruju upravljačke funkcije akviziciono-upravljačkog sistema. U opštem slučaju, to su elektromehanički uređaji direktno uključeni u samo procesno postrojenje. Posredstvom procesnih izlaza, akviziciono–upravljački sistem upravlja izvršnim elementima generisanjem pobudnih električnih signala. Procesni izlazi mogu biti digitalni i analogni.

Posredstvom digitalnih izlaza ostvaruje se upravljanje tipa uključi/isključi ili otvori/zatvori, za uređaje kao što su sklopke, kontaktori, aktuatori ventila i sl. Digitalni izlazi se najčešće opisuju radnim naponom i maksimalnom strujom koju mogu da propuste (24Vdc/1A, 220Vac/3A, i sl.).

Analognim (kontinualnim) pobudnim signalom zadaje se radna tačka izvršnog elementa (pozicija regulacionog ventila, referentna vrednost eksternog PID regulatora i sl). Analogni procesni izlaz opisuje se električnim opsegom

283 izlaznog signala (0-20 mA, 0-5 V, itd.). Generisanje analognog izlaznog signala vrši se korišćenjem D/A konvertora. Poput analognih transmitera, sve je veći broj tzv."smart" izvršnih elemenata koji se, zahvaljujući ugrađenom mikropro-cesorskom bloku, serijski povezuju sa akviziciono-upravljačkim sistemom. Ovakvi uređaji često preuzimaju izvršenje složenijeg lokalnog upravljanja (npr. PID regulacija), čime značajno pojednostavljuju izvođenje AUS-a, uz istovremeno podizanje ukupne raspoloživosti upravljačkog sistema.

Bez obzira o kojoj generaciji disribuiranog računarskog upravljanje se radi, u zavisnosti od geografske topologije i primenjenih algoritama upravljanja, moguće je uočiti dve osnovne klase akviziciono-upravljačkih sistema:

− Sistemi zasnovani na SCADA sistemima (engl. Supervisory control and data acquisition system) i

− Industrijski akviziciono upravljački sistemi. Za sisteme proizvodnje, pripreme i transporta i distribucije nafte i prirodnog

gasa u primeni je uglavnom prva klasa akviziciono upravljačkih sistema, koja ima nešto jednostavniju funkciju automatskog upravljanja s obzirom na relativno nisku zahtevnost razmatranih procesa. Bitne odluke u ovim sistemima (promena radnog režima, pokretanje komandnih procedura, i sl.) donosi operater - dispečer sistema. Osnovni zadatak ovih sistema je da obezbede kvalitetan i pouzdan nadzor tehnološkog procesa, uz formiranje što potpunijeg istorijata stanja i događaja u sistemu. Tipična arhitektura sistema zasnovanih na SCADA-i prikazana je na sl. VII 3.4. Osnovni hardverski elementi ovih sistema su su:

− korisnički interfejs (engl. Human Machine Interface – HMI), − glavna upravljačka stanica sa vodećim računarem (nadzorno-upravljačka

stanica, dispečerski centar) , − prenosno-komunikaciona mreža i − uređaji u polju. Putem korisničkog interfejsa (tastatura, monitor, komandna tabla, itd.) čovek

– dispečer komunicira sa sistemom – prima informacije i zadaje komande. U ovim sistemima informacije se operaterima/dispečerima najčešće prezentuju simbolički i operater ima aktivan pregled stanja u sistemu kojim upravlja.

Glavna upravljačka stanica obuhvata servere i softver za komunikaciju sa opremom u polju (RTU, PLC, itd) i za komunikaciju sa dispečerom. U manjim sistemima glavna upravljačka stanica može biti jedan PC računar, dok kod velikih sistema može da se radi o više servera sa distribuiranim softverskim aplikacijama. Upravljačka stanica, iz razloga pouzdanosti i sigurnosti funkcionisanja, mora da poseduje osobinu redundantnosti (zamenjivosti). Neophodnu softversku podlogu radu dispečerskih centara, koja uključije i kvalitetnu vizuelizaciju procesa, čine složeni softverski paketi, poznati pod nazivom SCADA, mada se pod pojmom SCADA danas često podrazumeva čitav sistem akvizicije i upravljanja sa pripadajućim hardverom (RTU, PLC, komunikaciona mreža korisnički interfejs, glavna upravljačka stanica) i softverom.

284

Sl. VII 3.4

SCADA softverski paketi sadrže relacione baze podataka koje obezbeđuju međusobno povezivanje crteža i korisničkih podataka sa merenjima i stvarnim stanjem na terenu. Grafički i alfanumerički alati koje ovi paketi poseduju dozvoljavaju kreiranje efikasnog grafičkog okruženja u kome operator ima jasan pregled svah alarma, lak pristup svim podacima i različite mogućnosti za njihovu analizu.

Prenosno - komunikaciona mreža obezbeđuje komunikaciju dispečerskog centra sa udaljenim jedinicama. Prenos podataka u ovim sistemima je relativno spor ali se može ostvariti raznorodnim prenosnim medijima (kablovska veza,

Oprema u polju (senzori, prekidači, ventili, ...)

Akviziciono-upravljački uređaji u polju (RTU, PLC, ...)

Korisnički interfejs

Glavna upravljačka stanica

Prenosno-komunikaciona mreža (relativno mala brzina prenosa; otvoreni sistem upravljanja)

Prenosno-komunikaciona mreža (relativno mala brzina prenosa; najčešće otvoreni sistem upravljanja)

(relativno velika brzina prenosa; najčešće zatvoreni sistem upravljanja)

285 intranet, radio signali, modemska veza, SMS, GPRS, itd.).

Na lokacijama udaljenim od dispečerskog centra instalirani su RTU ili PLC uređaji, čiji je zadatak da prime i arhiviraju signale sa senzora i da generišu pobudu izvršnih elemenata. Najčešće su ovi uređaji osposobljeni da potpuno autonomno deluju i obavljaju funkcije akvizicije i upravljanja. Komunikacija sa upravljačkom stanicom se uspostavlja prema unapred zadatom programu (šalju se prikupljeni podaci u obliku definisanih izveštaja), na zahtev operatera ili u slučaju alarmnih dešavanja.

Na sl. VII 3.5 je prikazan delimični P&ID dijagram SCADA sistema za nadzor i upravljanje radom sistema pumpa-rezervoar. Programabilni logički regulator - PLC1 na bazi željene vrednosti protoka, dobijene iz dispečerskog centra i/ili od PLC2 uređaja, upravlja radom pumpe. Na ovom PLC-u se arhiviraju podaci o trenutnom i kumulativnom protoku i prema predviđenom programu ili na zahtev šalju u dispečerski centar. PLC2 upravlja nivoom u rezervoaru (željenu vrednost postavlja dispečer), otvaranjem/zatvaranjem ventila i arhivira i šalje prema glavnoj upravljačkoj stanici informaciju o nivou, stepenu otvorenosti ventila, eventualne alarmne signale itd. Međusobna komunikaciona povezanost PLC uređaja omogućuje i međusobnu razmenu podataka (npr. na bazi visine fluida u rezervoaru deluje se na rad pumpe, i sl.).

Sl. VII 3.5.

Tipičan izgled grafičkog prikaza koji ima operater je dat na primeru izgleda ekrana u dispečerskom centru SCADA sistema za nadzor i upravljanje radom jedne pumpne stanice (sl. VII 3.6.). Dispečer ima pregled trenutno aktivnih pumpi,

Glavna upravljačka

stanica

Upr

avlja

nje

rado

m p

umpe

Prot

ok

Niv

o

Upr

avlja

nje

po

zici

jom

ven

tila

Regulacija protoka

Regulacija nivoa

286 trenutnog i kumulativnog protoka, visine fluida u rezervoarima, stepena otvorenosti ventila, itd. On ima mogućnost izbora detaljnijeg pregleda pojedinih komponenti, analize arhiviranih podataka, delovanja na izvršne elemente sistena (otvaranje/ zatvaranje ventila, uključenje/isključenje pumpi, upravljanje tokom fluida kroz stanicu i sl.).

Sl. VII 3.6.

AUS zasnovani na SCADA-i su našli svoju primenu i u objedinjenom, centralnom upravljanju proizvodnjom nafte i prirodnog gasa sa više polja raspoređenih na veoma širokom prostoru. Rastojanja centralnog računara od telemetrijskih stanica ili PLC uređaja na poljima mogu biti i do 2400 km.

Primer korišćenja AUS za praćenje i upravljanje radom bušotine sa dubinskom pumpom prikazan je na sl. VII 3.7. Prema zadatom algoritmu upravljanja i podacima o radu dubinske pumpe prikupljenih sa senzora, lokalni PLC formira adekvatno upravljačko dejstvo kojim obezbeđuje njen željeni režim rada. Prikupljeni podaci o radu bušotine se arhiviraju i na zahtev, ili po utvrđenoj dinamici šalju u dispečerski centar, gde ulogu glavne upravljačke stanice ima tzv. vodeći PLC uređaj. Dispečer sistema je u mogućnosti, preko upravljačkog PC-ja, da prati rad sistema, vrši njegovo uključivanje/isključivanje, reaguje na alarme, menja algoritam upravljanja, itd.

287

Sl. VII 3.7.

Industrijski akviziciono - upravljački sistemi su orijentisani ka upravljanju

prostorno ograničenim industrijskim postrojenjima, odnosno kontroli tehnoloških operacija u okviru proizvodnih procesa. Oni se odlikuju manjom dislokacijom pojedinih elemenata sistema, pouzdanijim odvijanjem komunikacije, i visokim stepenom automatizacije upravljačkih aktivnosti. Upravljački algoritam koji se ugrađuje u industrijske AUS sisteme je često vrlo složen, vremenski strogo uslovljen, i obuhvata automatizovano (programsko) vođenje čitavog proizvodnog procesa. Bez obzira na međusobne razlike, obe klase akviziciono – pravljačkih sistema su izuzetno srodne i granica između njih nije sasvim očigledna. Ta granica pogotovo je nejasna u delu njihove sistemske programske podrške.

Upravljački PC

Vodeći PLC

Radio modem

Radio modem

Lokalni PLC Upravljanje

pumpom

Merenja