Функциональная модель процесса диагностики погружного электрооборудования на основе idef0-технологии

В данном параграфе описана разработанная в рамках SADT-методологии и IDEF0-технологии функциональная модель обозначенной предметной области. Данная модель представляет собой совокупность диаграмм с постепенно увеличивающейся детализацией по мере декомпозиции блоков модели.

Общее представление описываемой предметной области изображено на контекстной диаграмме (диаграмма A-0) (рисунок 3.1). На данной диаграмме присутствует только один блок равнозначный всей задаче.

Рисунок 3.2 - Контекстная диаграмма функциональной модели диагностики погружного электрооборудования

Рассмотрим блок «Диагностика ПЭО» (диагностика погружного электрооборудования), входами которого являются непосредственно объект исследования «ПОЭ», априорная информация и методики испытаний. В результате выполнения данной функции на выходе блока образуются: результат диагностики, разного рода графическая и табличная информация в виде отчетов о ТС оборудования, база данных (БД) первичных данных, БД обработанной информации, а также некое управленческое решение, принятое на верхнем уровне иерархии нефтяной компании, и отражающее дальнейшее продвижение объекта в жизненном цикле (подготовка к транспортировке, выбор месторождения и скважины согласно спрогнозированному ресурсу, решение о снятия объекта с эксплуатации, проведение капитального или текущего ремонта, и т.д.).

Вполне очевидны механизмы выполнения данной функции (дуги снизу), а также управление (дуги сверху). Механизмами являются:

• информационная система;

• оборудование;

• персонал.

Управлением (или как указывается в некоторых источниках, «ограничением») в данной задаче выступают:

• различного рода нормативная документация;

• требования и рекомендации предприятия;

• документация на оборудование;

• теоретические основы.

Под «теоретическими основами» в данном случае следует понимать совокупность различного рода теоретических сведений и знаний многих дисциплин и направлений, необходимых для осуществления некоторых функций задачи.

Приведенная контекстная диаграмма далее детализируется с учетом задач, которые будут решаться в процессе диагностики. На рисунке 3.2. приведена декомпозиция контекстной диаграммы, в состав которой входят следующие блоки:

• анализ априорной информации (1);

• испытание погружного электрооборудования (2);

• обработка результатов измерения (3);

• передача информации по уровням иерархии (4);

• принятие управленческого решения (5).

Столь сложная структура первого уровня декомпозиции обусловлена многоуровневой системой управления ТС оборудования в нефтяных компаниях.

Рисунок 3.3 - Функциональная модель процесса диагностики погружного электрооборудования

Первый блок «Анализ априорной информации» является этапом подготовки к процессу диагностики. На данном этапе производится анализ статистических данных по работе объекта диагностики, определяются наиболее информативные параметры контроля, формируются необходимые предписания и указания по проведению испытания в форме «разовых» методик и выбирается наиболее походящая система диагностики (как аппаратная, так и программная части).

Перечисленные операции производятся чаще для групп оборудования, схожих по определенному признаку (длина, мощность, наработка, и т.д.), а для отдельных единиц, полная совокупность приведенных операций проводится только в исключительных случаях (например, длительная работа объекта в осложненных, ранее не известных условиях скважинной среды).

Второй блок «Испытание ПЭО» является одним из ключевых (наряду с блоком «обработка результатов измерений») и заключается в сборке тестовой установки, спуске ее в скважину, проведение необходимых замеров параметров контроля, а также на данном этапе производится определенная, начальная обработка полученных данных, а также формирование и пополнение БД первичной информации (наиболее большой файл БД, содержащий всю информацию, поступающую с измерительных устройств).

Третий блок «Обработка результатов измерений» реализует основные алгоритмы обработки измерительной информации, заключающейся в раздельном анализе всех измеренных параметров и проведении совместного анализа. На данном этапе формируется заключение о ТС оборудования, т.е. результат диагностики, а также создается и пополняется БД обработанной информации. БД обработанной информации содержит наиболее информативную составляющую всех информационных потоков и включает в себя результат диагностики, а также информацию (графики, таблицы) служащую доказательством (основой) поставленного диагноза.

Описанные выше блоки реализуются на уровне отделов диагностики. Следующие два блока относятся больше к верхним уровням управления эксплуатацией погружного оборудования. Четвертый блок «передача информации по уровням иерархии» заключается в последовательном формировании и пересылке пакетов данных для диспетчерских служб и для головного офиса нефтяной компании.

Пятый блок «Принятие управленческого решения» заключается в формировании предписаний вышестоящими уровнями компании нижестоящим о дальнейшей деятельности связанной с оборудованием (объектом диагностики).

Механизмами и техническими средствами, участвующими в выполнении операции диагностики, являются:

• коммуникационное обеспечение (internet-канал, GSM-модуль, физические проводные каналы связи RS232 и RS485, и т.д.);

• вычислительные средства (микроконтроллеры универсального и специального назначения, компьютеры IBM PC, специальные контроллеры СУ);

• широкий спектр ПО (коммуникационные модули программ, модули ПО выделения информации, СППР, модуль обработки информации, программы статистического анализа данных, модули фильтрации данных, системы управления базами данных – MS Access, Oracle, SQL Server и т.д., пакеты моделирования и математических вычислений – MATLAB, MathCAD, Maple и т.д., различные серверные и стандартные операционные системы (ОС) – Windows, LUNIX, Unix и т.д., среды программирования как высокого, так и низкого уровней);

• технологическая оснастка и сопутствующее оборудование, включающие в себя различные механические и электромеханические приспособления, необходимые для подключения системы диагностики, спуска установки в скважину, а также элементы электропитания установки (трансформатор, прочее силовое оборудование);

• система измерения параметров контроля, как совокупность устройств, выполняющих функции измерения параметров контроля.

Кроме того, к механизмам выполнения операций задачи диагностики относятся человеческие ресурсы – это совокупность специалистов и рабочих участвующих в процессе диагностики на разных его этапах: аналитик, группа ремонта и диагностики, специалист по диагностики, специалист по разработке управленческих решений, и т.д.

Далее подробно рассмотрим детализацию функциональных блоков «испытание ПЭО» и «обработка результатов испытания».

Декомпозиция блока «испытание ПЭО» представлена на рисунке 3.3., и состоит из следующих блоков:

• подготовительные операции - заключаются в сборке установки, подключении питания оборудования и системы диагностики;

• измерение параметров контроля – состоит в одновременном измерении комплекса параметров контроля (вибрация, температура, энергетические параметры);

• первичная обработка сигналов: заключается в аналоговой фильтрации, аналого-цифровом преобразовании, сохранении данных в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), передачи полученных данных на компьютер наземной части системы диагностики, а также преобразовании форматов данных.

• создание БД первичной информации. На данном этапе создается БД всей информации, полученной в процессе диагностики ПЭО.

На рисунке 3.4 представлена декомпозиция блока «обработка результатов испытания». Данная диаграмма состоит из трех блоков: выделение информации, углубленный анализ и создание БД обработанной информации.

На вход первого блока поступает измерительная информация, затем производится углубленный анализ этой информации, совместно со статистическими данными и списком выбранных параметров контроля, результатом которого является непосредственно результат диагностики в форме отчета о проведенном испытании. Результат диагностики содержит графическую и табличную информацию в виде спектров, скейлограмм (для вибрации), зависимости изменения параметров (для температуры) и т.д.

Последним этапом «обработки результата испытания» является создание БД обработанной информации, которая является наиболее информативным информационным пространством о ТС испытуемого оборудования и содержит

Рисунок 3.4 - Диаграмма «Испытание ПЭО»

Рисунок 3.5 – Диаграмма «Обработка результатов испытания»

наиболее полный перечень всех данных, включая спектры сигналов, результаты диагностики и т.д. Данная БД пополняется с проведением каждого испытания единицы оборудования, что позволит в дальнейшем проводить анализ всех данных как единого целого с целью выявления некоторых «скрытых» зависимостей. Это даст возможность ставить наиболее точный диагноз ТС оборудования, проводить прогнозирование дальнейшей динамики его работы и определять остаточный ресурс.

Детально рассмотрим «углубленный анализ» данных. Декомпозиция данного блока представлена на рисунке 3.5. и состоит из следующих функций:

• дифференцирование информации по параметрам;

• анализ вибрации;

• анализ температуры;

• анализ энергетических параметров;

• совместный анализ результатов частных испытаний.

В результате выполнения перечисленных функций образуется результат диагностики, а также данные анализов, являющиеся основой БД обработанной информации.

Дифференцирование информации заключается в разделении данных, полученных от различных вычислительных устройств (микроконтроллер погружной части системы диагностики, контроллер СУ). На выходе образуются раздельные пакеты данных содержащие информацию строго по одному параметру контроля (температура, вибрация, энергетические параметры и т.д.). Далее производится покомпонентные раздельные анализы всех параметров контроля (анализ вибрации, анализ температуры и т.д.), результатом которых являются: данные анализа вибрации и сообщение о неисправных элементах оборудования, дынные температурных полей и времени работы, частичный диагноз электромагнитной системы. Данные покомпонентного анализа затем проходят процедуру совместного анализа, с целью проверки наличия известных корреляций между разнородной информацией, по результатам которой формируется окончательный результат диагностики.

Рисунок 3.6 - Диаграмма «Углубленный анализ»

Как отмечалось выше, во время «углубленного анализа» производится «анализ вибрации», который является основной частью оценки ТС оборудования. Анализ вибрации представляет собой одну из самых сложных операций, проводимых с целью определения ТС оборудования. Декомпозиция блока «анализ вибрации» представлен на рисунке 3.6. и состоит из нижеперечисленных блоков:

• полосовая цифровая фильтрация;

• интегрирование;

• вейвлет-анализ;

• статистический анализ;

• многопараметрический анализ;

Виброускорение, измеренное первичными преобразователями, подвергается последовательно процедурам полосовой цифровой вибрации, целью которой является выделение сигнала в информативном частотном диапазоне, и процедуре интегрирования для преобразования виброускорения в вибросткорость с целью приведения информации в форму необходимую для применения известных методик анализа, рассчитанных на данные виброскорости.

Основным блоком данной диаграммы является «вейвлет-анализ», заключающийся в частотно-временной локализации сигнала вибрации. По результатам проведенного анализа делается вывод об обнаружении того или иного дефекта. Далее полученные данные проходят процедуру статистической обработки с целью пополнения базы статистики. Выходом «анализа вибрации» являются данные анализа вибрации и сообщение о неисправных частях.

«Анализ температуры» заключается в определении временных зависимостей температуры, определение динамики изменения температуры, построение диаграммы тепловой загруженности оборудования, по которым можно сделать вывод о временных промежутках работы в скважине.

Декомпозиции остальных функциональных блоков представлены в приложении Б.

Анализируя перечисленные выше механизмы для реализации рассматриваемого процесса, можно сделать вывод, что для обеспечения

Рисунок 3.7 - Диаграмма «Анализ вибрации»

функционирования процесса диагностики необходимы как алгоритмическое и математическое обеспечение (реализуемые в виде программных модулей), так и различного рода аппаратные средства. Очевидно, что среди аппаратных средств наиболее значимые функции выполняет система измерения параметров контроля. Следует отметить, что в настоящее время применяются несколько типов измерительных систем, так как каждой из этих систем свойственны определенные недостатки. В частности, для систем наземного типа – это горизонтальное расположение оборудования и невозможность имитации скважинных условий, а для систем погружного исполнения - возможность контроля информативных параметров только в одной точке оборудования, что в случае протяженного погружного оборудования (до 10-15 м) является причиной низкого качества диагностики.

Таким образом, описание процесса диагностики в рамках IDEF0-технологии позволяет сделать вывод, что измерительная система в составе диагностического комплекса является наиболее важным звеном, которое нуждается в разработке новых перспективных структур для устранения указанных выше недостатков.

В данном параграфе предложен подход к формализации исследуемой предметной области на основе SADT-методологии с применением IDEF0-технологии, в результате которого был разработан комплекс функциональных моделей процесса диагностики погружного электрооборудования, показывающих последовательность всех необходимых функций процесса. Полученные модели позволяют выявить основные потоки данных информации в процессе и более полно понять исследуемую предметную область. По полученным моделям можно сделать вывод о значительной сложности реализации процесса диагностики погружного электрооборудования и сформировать некоторые требования к аппаратной части системы диагностики:

• необходимо обеспечить измерения вибрации оборудования в нескольких точках (обуславливается протяженной конструкцией оборудования);

• Необходимо разработать структуры системы диагностики, позволяющие проводить испытания непосредственно в скважинном пространстве (для обеспечения непрерывного контроля оборудования, поскольку динамика процессов в условиях воздействия флюида может носить неопределенный характер);

• необходимо обеспечить единое информационное пространство, для получения наиболее полных данных диагностики по всему оборудованию.