Системы автоматизированного проектирования и мониторинга состояния элементов газонефтепроводов. Учебно-методическое пособие

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный технический университет»

И. А. Серикова, Г. С. Сериков

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ГАЗОНЕФТЕПРОВОДОВ

Учебно-методическое пособие

Воронеж 2025

1

УДК 621.6:004(07) ББК 39.77:30.2я 7

С327

Рецензенты:

кафедра информационных систем Воронежского государственного университета (зав. кафедройканд. техн. наук, доц. Д. Н. Борисов);

П. Н. Макаров, генеральный директор ООО «Транстехмаш»

Серикова И. А.

С327 Системы автоматизированного проектирования и мониторинга состояния элементов газонефтепроводов: учебно-методическое пособие [Электронный ресурс] / И. А. Серикова, Г. С. Сериков. – Электрон. текстовые и граф. данные (670 Кб). – Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2025. – 1 электрон. опт. диск (DVD-ROM): цв. – Систем. требования: ПК 500 и

выше; 256 Мб ОЗУ; Windows 10, SVGA с разрешением 1024х768; Adobe Aсrobat, CD–ROM дисковод; мышь. – Загл. с экрана.

ISBN 978-5-7731-1227-3

В учебно-методическом пособии изложен теоретический материал систем автоматизированного проектирования и мониторинга. Представлены методики расчета частотно-временного анализа автоматизированных систем мониторинга состояния элементов газонефтепроводов. Представлены примеры расчетов. Предложены варианты для самостоятельного выполнения студентами курсовой или расчётно-графической работы.

Предназначено для студентов направлений 21.03.01 «Нефтегазовое дело» (профиль «Проектирование, строительство и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ»), 08.03.01 «Строительство» (профиль «Теплогазоснабжение и вентиляция») всех форм обучения.

Ил. 18. Табл. 11. Библиогр.: 17 назв.

УДК 621.6:004(07) ББК 39.77:30.2я 7

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежскогогосударственного техническогоуниверситета

ВВЕДЕНИЕ

Магистральные нефтегазопроводы (МН) состоят из различных сооружений, таких как нефтеперекачивающая станция, линейная часть, резервуарные парки. Линейная часть магистральных нефтегазопроводов имеет протяженность тысячи и более километров, проходит в различных гидрогеологических и климатических условиях, а также пересекает множество естественных и искусственных преград. Россия имеет надежную и самую протяженную в мире систему трубопроводного транспорта для газа, нефти, продуктов их переработки. Системы автоматизированного проектирования и мониторинга необходимы для лучшей оценки прочности нефтегазопроводов и дальнейшей оценки их остаточного ресурса.

Необходимо знать развивающийся уровень современных трубопроводных систем, эксплуатационных деформаций и напряжений в нефтегазопроводе. Информация, получаемая в реальном масштабе времени, является ключевой для оценки и анализа прочности и долговечности элементов конструкций систем трубопроводного транспорта. Для достоверности и правильности оценки работоспособности системы, необходимо выполнять постоянный мониторинг состояния нефтегазопроводов, получать точную информацию о напряженно-деформированном состоянии элементов конструкции. Анализ реально существующих постоянно модернизирующихся конструкций со сложной геометрической формой, с механической разновидностью, возможно осуществить системам автоматизированного проектирования (САПР) и мониторинга при помощи численных методов. Методом исследования нефтегазопровода предлагается использовать частотно-временной анализ автоматизированных систем мониторинга состояния элементов нефтегазопроводов. Применяется также аналитический метод и метод конечных элементов. Частотно-временной анализ автоматизированных систем мониторинга лишен недостатков, присущих другим численным методам. Этот метод используется независимо от геометрии объекта нефтегазопровода. Он обладает преимуществом по отношению к другим альтернативным численным методам. Для решения расчётно-графической работы нефтегазопровода осуществляется проектирование и моделирование элементов нефтегазопровода. Из всего изложенного выше следует, что вопросы разработки систем автоматизированного проектирования и мониторинга нефтегазопроводов, оценка прочности, ресурса элементов трубопроводных систем при наличии дефектов, особенно актуальна в настоящее время, требует постоянного усовершенствования и модернизации.

3

1.СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Всовременном мире цифровизации и компьютеризации роль САПР -

систем автоматизированного проектирования – сложно переоценить. Ни одно предприятие, ни одно производство не обходится сейчас без средств компьютерной техники. Все функции, начиная, от сбора данных, их обработки, комплектации, и заканчивая передачей, прогнозированием, вплоть до принятия решения лежит сейчас на программных средствах, нейронных сетях и искусственном интеллекте.

Всвете таких событий рациональнее было бы остановиться на роли человека с этой системе. Однако, речь пойдёт о росте производительности труда в нефтегазовой отрасли. Очень важен вопрос управления производством, приложением умственного труда человека. Исследованием объектов и процессов, происходящих при газоснабжении и газопотреблении, принятие решений при добыче, переработке нефти и нефтепродуктов, проектирование различных систем и конструирование трубопроводов и резервуаров должен всегда заниматься человек со своим творческим умственным процессом с привлечением средств автоматизации и компьютерной техники. Научные идеи

идостижения, инженерные идеи должны подкрепляться развитием новой техники и технологий. Конструкторско-проектная документация должна разрабатываться современными техническими средствами и отвечать потребностям развития современного производства и экономики.

Рассмотрим основные аспекты и назначение автоматизированного проектирования.

Человеческий фактор, инженерная подготовка, профессиональная интуиция определяет достижения и прогресс производства при

неавтоматизированном проектировании. Это влечёт за собой такие проблемы как субъективизм, возможность неправильности расчётов, качество конструкторской документации и сроки проектирования.

Автоматизированное производство гораздо быстрее и точнее справляется с решением поставленных задач, даёт возможность более эффективно использовать технологическое оборудование, реализовывать программное управление, увеличивать производительность и экономический рост. Использование математического анализа, оценка эксплуатационных, технических, технологических характеристик сокращает сроки проектирования и передачи в производственный процесс конструкторской документации.

Как вывод имеем следующий. Современный технический прогресс нефтегазовой отрасли определяется непосредственно автоматизацией производства, созданием и применением систем автоматизированного проектирования и мониторинга.

4

Системный подход к вопросам проектирования реализовывается в создании современных программных комплексов в виде пакетов прикладных программ (ППП) систем автоматизированного проектирования (САПР).

Со временем фокус в применении вычислительных технологий эволюционировал. Изначально компьютеры использовались преимущественно для расчетов, но теперь акцент сместился на более эффективное и продуктивное взаимодействие в рамках систем "компьютер-человек".

Развитие методов использования и появление новых поколений вычислительной техники привели к формированию нового системного подхода к организации компьютерного проектирования и моделирования, где для на конкретные задачи предлагаются решения. Для обеспечения универсальности по модульному принципу создаются специализированные программные комплексы, имеющие унифицированные базы данных.

Когда несколько программных пакетов интегрируются в единую структуру, нацеленную на выполнение конкретных задач, мы получаем системы автоматизированного проектирования (САПР). Это представляет собой новый, более развитый этап в эволюции программного обеспечения. В данном контексте наблюдаются существенные преобразования в различных формах поддержки между инженером-проектировщиком и средствами вычислительной техники.

Для того, чтобы достичь поставленной цели, сократить время проектирования и получить конечный продукт высокого качества, акцент необходимо поставить на оптимизацию взаимодействия пользователя и компьютерных средств, повысить многофункциональность системы автоматизированного проектирования.

САПР часто интегрируется в более крупные системы, такие как автоматизированные системы управления производством (АСУП), занимая в них подчиненное положение.

Определим понятие системы автоматизированного проектирования. Цель системы автоматизированного проектирования – решение

поставленной задачи путём создания оптимального проекта для определённого объекта, его разработка и внедрение. Такая система эффективно использует инновационные подходы к проектной деятельности, современные цифровую и вычислительную технику, математические методы, различные средства коммуникации. САПР анализирует поставленные задачи, оптимизирует проекты, эффективно решает инженерные задачи.

Последовательность создания проектов при использовании САПР определяется следующим:

1.Анализ поставленной задачи, предложение возможных вариантов проектов, выбор оптимального решения;

2.Разработка эскиза проектного решения, его оптимизация и совершенствование;

5

3.Финальная доработка выбранного конструктивного решения, детализация и проведение всесторонних расчетов

4.Подготовка комплекта конструкторской документации. Эффективность внедрения САПР на каждой стадии обусловлена ее

спецификой. Начальный этап характеризуется преобладанием эвристического подхода. Автоматизация здесь возможна лишь в специализированных задачах. Наибольший эффект достигается при организации интерактивного взаимодействия между человеком и системой. Активную роль должен играть проектировщик. Он решает задачу глобально, стратегически, принимает окончательные решения. Компьютер же, цифровая техника должна по заданным программам с помощью своего программного комплекса выполнять различные операции, предоставлять и обрабатывать полученную информацию не только статически, но и динамически в реальном масштабе времени.

Следующий шаг – это оптимизационная и вычислительная роль компьютерной техники. На основании полученных данных проектировщик принимает оптимальное решение поставленной задачи.

На последних стадиях проектно-конструкторская работа поддается алгоритмизации, что делает целесообразным применение вычислительной техники в сочетании с необходимыми средствами для ввода-вывода графических данных.

Рассмотрим ряд проблем, возникающих в процессе разработки. Выделим понятие сложного объекта проектирования. Под таковым

понимается продукт или конструкция, для которых характерны один или несколько из перечисленных признаков:

Внедрение инновационных технических подходов. Наличие конфликтующих требований к характеристикам.

Большая детализация и наличие множества составных частей, то есть значительное количество элементов в конструкции.

Важность учета не только свойств компонентов, но и взаимосвязей между ними.

Зависимость характеристик от принимаемых решений, отсутствие четких критериев для оценки этих решений.

Эксплуатация в составе сложной системы в условиях, подверженных неопределенным изменениям.

Производство с использованием уникальных технологий или с участием большого числа производственных предприятий.

Квалификация разработчиков (или команды разработчиков), работающих над сложными техническими системами, должна соответствовать высоким стандартам. Текущие сроки разработки таких систем значительно превышают допустимые значения, что приводит к потере конкурентоспособности продукции, устареванию технологий и другим негативным последствиям. Учитывая необходимость сокращения времени разработки и постоянное увеличение сложности объектов, становится

6

очевидным, что широкое внедрение систем автоматизированного проектирования (САПР) является единственно верным решением, позволяющим избежать неавтоматизированных процессов.

Сформулируем проектные и конструкторско-технологические задачи, которые системы автоматизированного проектирования призваны решать, участвуя в разработке сложных объектов. САПР обязаны:

-автоматически находить оптимальные проектные и технологические варианты там, где задачи оптимизации можно формализовать;

-автоматически иметь возможность корректировки вариантов решений и их совместимости без привлечения инженера-проектировщика;

-автоматически интегрировать информационные потоки между всеми взаимосвязанными программами, использующими одни и те же данные;

-по любому запросу проектировщика предоставлять возможность получения промежуточных результатов в удобном для восприятия и обработки виде, а также предоставлять доступ ко всем базам данным;

-предоставлять возможность вносить различные изменения в решения, не удовлетворяющие инженеров-проектировщиков;

-без привлечения человека проводить контроль полученных решений и их совместимости, вносить изменения для необходимого согласования;

-сохранять и накапливать опыт получения различных проектных

решений;

-улучшать и эволюционировать, учитывая современные технологии

ивычислительные мощности.

Все предъявляемые к системе автоматизированного проектирования (САПР) требования можно обобщить до двух ключевых характеристик: соответствия поставленным задачам и насыщенности информацией. Именно эти качества в совокупности определяют ценность и необходимость использования систем автоматизированного проектирования, эффективность их внедрения в современное производство.

САПР включает в себя различные подсистемы, которые выступая в качестве структурных элементов САПР, дифференцируются в зависимости от их ориентации на объект проектирования и функционального назначения.

Автоматизация проектных работ с использованием современных компьютерных технологий требует комплексного подхода. Для успешного внедрения, создания и продуктивного применения программных комплексов необходимо учитывать широкий спектр задач, которые обеспечиваются различными методами и современными цифровыми ресурсами. Это даёт возможность оптимизировать процесс проектирования, получая значительный экономический эффект, сократить время и ресурсы.

Системы автоматизированного проектирования (САПР) в обязательном порядке должны быть обеспечены следующими компонентами: аппаратное

7

обеспечение (вычислительные устройства, оргтехника, оборудование для передачи информации, измерительные приборы и их комбинации); математическое обеспечение (алгоритмы, модели, методы); программное обеспечение (компьютерные программы, сопроводительная документация, пакеты прикладных программ); информационное обеспечение (описание стандартных проектных процедур, типовые проектные решения, стандартные компоненты, файлы, блоки данных); методическое обеспечение (различная документация); лингвистическое обеспечение (языки программирования и терминология, используемые в проектировании); организационное обеспечение (положения, приказы, инструкции, штатные расписания, квалификационные требования и другие документы, регламентирующие организационную структуру подразделений и их взаимодействие с комплексом средств автоматизации проектирования).

Выделим еще классификацию САПР по объекту проектирования: объектно-ориентированные и инвариантные (то есть не зависящие от конкретного объекта) системы.

При разработке САПР важно учитывать следующие принципы:

-принцип сочетания автоматического и автоматизированного проектирования позволяет гибко переключаться между режимами проектирования, используя наиболее эффективный в конкретной ситуации, без изменения общей структуры системы;

-принцип независимости отдельных модулей предполагает модульную структуру системы, что дает возможность разрабатывать и внедрять отдельные части независимо друг от друга, расширяя функциональность системы в процессе эксплуатации;

-принцип ограничения взаимодействия САПР с внешними источниками подразумевает уменьшение обмена информацией с внешней средой, сокращая объемы входных и выходных данных;

-принцип интерактивного проектирования обеспечивает возможность вмешательства в процесс проектирования и контроля его хода в режиме реального времени. Ускорение вычислительной техники улучшает взаимодействие в процессе проектирования;

-принцип развития даёт возможность применять новые компоненты САПР, оптимизировать связи между ними, добавлять новые функции, делать систему более современной и совершенной;

-принцип интеграции означает согласование САПР с системами более высокого уровня, такими как АСУП или АСНИ;

-принцип ответственности руководителя подразумевает, что глава проектно-конструкторского подразделения несет прямую ответственность за разработку, развитие и внедрение САПР;

-принцип адаптивности предполагает наличие в САПР механизмов настройки на меняющиеся характеристики объектов.

8

Сквозное проектирование обеспечивает автоматизацию на всех этапах, от начальной идеи до конечной реализации, гарантируя непрерывность процесса.

Иерархическая структура подразумевает многоуровневую организацию, где нижестоящие элементы подчинены вышестоящим.

Информационное единство требует стандартизации символов, терминов и форматов представления данных во всех подсистемах САПР.

САПР позволяют решать задачи, которые ранее были невозможны или решались лишь частично из-за недостатка ресурсов.

Прежде чем приступить к разработке САПР, необходимо провести тщательный анализ проектируемого объекта, изучить существующие методы проектирования и техническую документацию.

Вавтоматизированном проектировании все этапы выполняются компьютером и микропроцессорными средствами. Отличительной чертой автоматизированного проектирования является интерактивный режим работы, где синтез в основном выполняется человеком, а анализ – компьютером. Эта особенность сохраняется в САПР любого уровня сложности и организации.

Выделим крупные отраслевые системы автоматизированного проектирования, разрабатывающие единые отраслевые системы принятия решений, и межотраслевые САПР, имеющие небольшой срок службы для проектирования уникального продукта со значительным экономическим эффектом.

Вспециализированных комплексных САПР происходит автоматизация документации, расчётов, чертёжных работ, текстов, таблиц, а также проектирование, подготовка производства, выбор необходимых инструментов и оборудования.

Интегрированные САПР включают в себя систему управления процессом проектирования, начиная со ввода исходных данных о проектируемом объекте и заканчивая выдачей проектной и технической документации. Последний процесс называется глубокой интеграцией. Также интегрированные САПР дают возможность создавать математические модели для решения поставленных задач оптимальными методами. Этот процесс называется широкой интеграцией.

Автономные САПР выполняют отдельные виды проектных работ, как графических, так и расчётных, работают в локальном режиме. Такие САПР по сути являются частью больших иерархических систем.

В проектировании сочетаются алгоритмизированные и эвристические методы.

Проектная деятельность зависит от ресурсов, в том числе от знаний проектировщика.

9

Цель разработки устанавливается заранее и остается постоянной.

Входе проектирования создается информация, используемая в производстве.

Системы автоматизированного проектирования (САПР) служат мощным инструментом в процессе разработки, однако их результативное использование требует создания детальных методических рекомендаций и инструкций. Эти указания должны четко определять последовательность шагов и применяемых инструментов.

Вавтоматизированном проектировании присутствует строгая последовательность всех этапов проектирования, что даёт возможность построить непрерывный процесс от сбора данных до окончательного проектного решения.

Определим основные требования к системам автоматизированного проектирования:

- понятные проектировщику исходные задачи проектирования; - удобные формы ввода исходных данных;

- интеграция новых и удаление устаревших программных модулей; - возможность принимать решения о выборе методов и

корректировать параметры на основе промежуточных результатов; - контроль основных показателей эффективности процесса и

возможность его корректировки;

-повышение квалификации инженеров-проектировщиков с помощью различных обучающих программ;

-необходимость совмещения различных видов проектирования (неавтоматизированных и автоматизированных);

-исследование напряжений и деформаций в прямолинейном участке основного нефтепровода.

10