Repornirea automată a sondelor de extracție țiței cu ajutorul automatului programabil [306459]

Repornirea automată a [anonimizat] – Energetică Industrială

iulie 17, 2018

SUPERVIZATĂ DE

Ș-l-dr.ing. Florica Popa

Dănilă Liviu Marian

AUTOR LUCRARE/ AUTHOR OF THESYS

Inginer B.Sc

GRAD/ DEGREE

Inginerie Energetică

Domeniu/ Domaine

Repornirea automată a sondelor de extracție țiței cu ajutorul unui automat programabil

Titlul lucrării/ Title of thesys

Florica Popa

Coordonator lucrare/ thesys supervisor

Examinatori lucrare/ Thesys examinators

1. Conf.dr.ing. Cornel SĂLIȘTEANU

2. Prof.dr.ing. Valentin DOGARU

3. Conf.dr.ing. Otilia NEDELCU

4. Conf.dr.ing. Traian IVANOVICI

5. Conf.dr.ing. Oliver MAGDUN

6. S.l.dr.ing. Florica POPA

7. S.l.dr.ing. [anonimizat]/ DEAN OF ELECTRICAL ENGINEERING FACULTY

Repornirea automată a sondelor de extracție țiței cu ajutorul automatului programabil

Dănilă Liviu Marian

Abstract

În această lucrare se dorește prezentarea utilității folosirii unui automat programabil în procesul de repornire automată a sondelor de extracție țiței. Studiul de caz se face asupra a [anonimizat].

Abstract

In this thesys i want to present the usefulness of using a [anonimizat]. [anonimizat].

UNIVERSITATEA “VALAHIA” [anonimizat]: Energetică Industrială

TEMA

proiectului de licență al absolvent: [anonimizat]

1. Tipul proiectului:

– Aplicabil

Domeniul: [anonimizat]

2. Tema proiectului: Repornirea automată a sondelor de extracție țiței cu ajutorul unui automat programabil

3. Conținutul proiectului:

3.0 Introducere ([anonimizat]);

3.1 Scurt istoric automate programabile

3.2 Tipuri de unități de antrenare folosite în extracția de țiței

3.3 Studiu de aplicabilitate a soluției

3.4 Calcul înainte și după implementarea sistemului

3.5 Descrierea componentelor sistemului existent

3.6 Rezultatele sondelor pilot

3.7 Concluzii

4. Locul unde va fi implementat proiectul: câmpuri petroliere.

Cuprins

1. Introducere………………………………………………………………………………………….6

2.Istoric automate programabile………………………………………………………………..8

2.1 Automatul programabil Sirius……………………………………………………………13

3. Unități de antrenare pentru extracție țiței………………………………………………21

4. Convertizor de frecvență de tip Toshiba………………………………………………26

5. Principiul de funcționare/ descrierea tehnică a procesului de frânare………..27

6. Punerea în funcțiune a sistemului pilot automat de repornire…………………..30

7. Calculație economică a implementării proiectului în instalațiile existente….32

8. Fazele și cerințele necesare ………………………………………………………………..33

9. Funcțiile sistemului de repornire automata…………………………………36

10. Verificare montaj electric PLC FX-3U Repornire automată ……………..38

11. Concluzii finale……………………………………………………………………………….40

12. Bibliografie……………………………………………………………………………………..41

Introducere

Instalarea unui PLC în cabina LWM, care să identifice condiția de detensionare, să comande VSD-ul să aplice o frânare în curent continuu pentru a reduce viteza și dacă turația este sufficient de mică, să comande repornirea LWM fără a aștepta detensionarea totală. De asemenea reduce riscul deteriorării sau deșurubării tijelor, deteriorării unității de antrenare sau a motorului electric, precum și evitarea creării unor situații periculoase pentru mediu și pentru personalul operator al câmpurilor petroliere. Un avantaj suplimentar este că sistemul poate fi dezvoltat ulterior cu costuri minime pentru monitorizarea parametrilor de mentenanță prin instalarea senzorilor necesari. Datorită acestui sistem pot fi minimalizate și costurile rezultate din intervențiile echipelor de mentenață.

Principalii factori/ echipamente utilizați in implementarea acestui proiect au fost :

Automatul programabil Mitsubischi FX3U

Unitatea LWM – Controlerul sondelor sau Well Manager

Convertizor de frecvență de tip Toshiba ( pentru sondele alimentate la 400V ) sau ABB ( pentru sondele alimentate la 500V)

Unitatea de antrenare ( drive head sau drive unit)

Sistemul de frânare mecanic sau hidraulic

Figura 1 – Montajul primului sistem

Automatul programabil Mitsubischi FX3U

Istoric automate programabile

Definiția automatului programabil (PLC-ul):

Un controler logic programabil sau automat programabil, este un calculator industrial care îndeplinește funcții de control discrete sau continue într-o varietate mare de aplicații .

• Automatul programabil a fost conceput de către Dick Morley, în anul 1968. Automatul programabil dezvoltat de către Morley, la momentul apariției sale a fost denumit PC pentru controler programabil, iar mai târziu, după introducerea computerelor personale (PC) a fost numele schimbat la PLC (Programmable Logic Controller ) și a fost produs de compania sa numită Modicon (Modular Digitial Controller ). Primul PLC a fost conceput pentru a îndeplinii specificațiile stabilite de către divizia Hydramatics al General Motors (GM). Scopul principal al designului a fost de a elimina costurile extrem de ridicate pe care le implică utilizarea circuitelor de comandă bazate pe relee electromecanice și lipsa de flexibilitate asociată cu acest tip de circuite "cablate".

Aceste automate programabile erau pentru vremea lor inovatoare, însă odată cu trecerea timpului necesitățile și cerințele din domeniul industrial au început să crească. După implementarea automatelor programabile alcătuite din relee magnetice și cablaje au început să apăra și punctele slabe ale acestor sisteme. Câteva dintre acestea sunt enumerate mai jos :

– Costuri ridicate legate de punerea în funcțiune și mentenanța lor;

-Lipsă de flexibilitate pentru a extinde procesul, precum și timpul foarte mare necesar pentru a regla procesul;

-Probleme mari în ceea ce privește mentenanța acestor sisteme, principalele probleme fiind legate de contacte uzare, fire desfăcute, volum mare de informație care trebuia actualizată în cazul realizării modificărilor în structură hardware (cablaje, relee etc.)

Din cauza acestor dezavantaje tot mai des apărute, a fost creat primul caiet de sarcini pentru proiectarea unui automat programabil fiabil în timp. Aceste automate programabile trebuie să îndeplinească următoarele condiții:

-Extinderea avantajelor circuitelor statice la 90% din mașinile din fabrică.

-Reducerea timpilor de nefuncționare ale instalațiilor, datorate problemelor cu sistemul de comandă.

-Extinderea facilă a funcțiilor existențe – prin realizarea unei structuri modulare.

-Utilizarea în mediu industrial (umiditate ridicată, temperaturi ridicate, vibrații etc.)

Ce este un automat programabil :

Spre deosebire de convertoarele convenționale, ale căror funcții sunt determinate de cablarea fizică, funcțiile automatelor programabile (PLC) sunt definite de către un program software.

Automatele programabile trebuie totuși să fie conectate la echipamente externe prin cabluri, însă conținutul memoriei lor de program poate fi modificat pentru că programele să poate fi adaptate în orice moment la orice sarcină de control.

Automatele programabile primesc date, le procesează și transmit în exterior rezultatele. Acest proces se desfășoară după cum urmează, în 3 stadii :

• Un stadiu de intrare ;

• Un stadiu de procesare ;

• Un stadiu de ieșire.

Stadiul de intrare:

Stadiul de transmitere semnale de control de la comutatori, butoane sau senzori către stadiul de procesare. Semnalele provenite de la aceste componente sunt generate că parte a procesului de control și sunt transmise în dispozitivele de intrare ca stări logice. Stadiul de intrare, trimite semnalele către stadiul de procesare într-un format pre-procesat.

Stadiul de procesare:

În stadiul de procesare, semnalele pre-procesate, venite din stadiul de intrare sunt procesate și combinate cu ajutorul operațiilor logice și a altor funcții. Memoria de program a stadiului de procesare este integral programabilă. Ordinea de programare poate fi schimbată oricând, prin înlocuirea sau modificarea programului stocat.

Stadiul de ieșire:

Rezultatele procesării semnalelor de intrare de către program sunt transmise stadiului de ieșire, unde controlează elementele ce pot fi comutate, cum ar fi: contactori, lumini de semnalizare, ventile electromagnetice, etc.

Figura 2 – Schema de principiu a unui automat programabil

Un automat programabil își efectuează sarcinile prin execuția unui program dezvoltat de obicei, în exteriorul automatului și transferat ulterior în memoria de program. Înainte de a se începe programarea este util să avem noțiuni de bază privind modul în care automatele programabile procesează aceste programe.

Un program al unui automat programabil este alcătuit dintr-o secvența de instrucțiuni ce controlează funcțiile automatului. Automatul programabil execută aceste instrucțiuni de control secvențial, adică una după altă. Întreaga secvența de program este ciclică, ceea ce înseamnă că se va repeta într-o buclă continuă. Durată necesară a unei singure repetiții de program este denumită durată sau perioadă de ciclare a programului.

Procesarea imaginii de proces:

Programul din automatul programabil nu este executat direct asupra intrărilor și ieșirilor, ci utilizează o “imagine de proces” a acestor intrări și ieșiri. La începutul fiecărui ciclu de program sistemul interoghează stările semnalelor intrărilor și le stochează într-o memorie-tampon, formând o “imagine de proces” a intrărilor.

După secvența de procesare a intrărilor, automatul programabil accesează stările intrărilor stocate în imaginea de proces. Acest lucru înseamnă că orice modificări ulterioare a stărilor de intrare vor fi înregistrate doar la următorul ciclu al programului. Programul este executat de sus în jos, în ordinea în care au fost programate instrucțiunile. Rezultatele fiecăruia dintre pașii de program sunt stocate și pot fi utilizate în timpul ciclului de program curent.

Figura 3 – Schema de principiu a execuției programului din automatul programabil

Prezentare automat prorgamabil Mitshubishi FX3u16 – Modelul folosit în aplicație

Microautomatele programabile ale familiei MELSEC FX constituie bază dezvoltării de soluții pentru automatizări industriale de complexitate medie, cu un necesar de puncte pentru intrări/ ieșiri de până la 256.

Cu excepția modelelor seriei FX1S, toate controlerele familiei FX pot fi prevăzute cu module de extensie pentru a putea răspunde tuturor cerințelor specifice ale aplicației.

Sunt de asemenea posibile conexiunile în rețea. Acest lucru face că seria FX să poată să comunice cu alte automate programabile și sisteme de control, precum și cu interfețe HMI. Sistemele de automat programabil, pot fi integrate și în rețele Mitsubishi, că puncte de lucru locale și ca puncte de lucru subordonate (de tip slave) în rețele deschise precum PROFIBUS/DP.

Modelul FX3U beneficiază de capacități de extensie modulare, ceea ce le face alegerea potrivită pentru aplicații complexe și sarcini ce necesită funcții speciale, cum ar fi conversii digital-analogic și viceversa, sau capacități de legare în rețea.

În figurile de mai jos sunt prezentate specificațiile tehnice ale automatului programabil FX3U, model folosit în aplicație:

Mai jos este prezentat tabelul grafic în bază căruia a fost ales tipul de automat programabil în funcție de rațiuni tehnico-comerciale. Având nevoie de un număr relativ mic de intrări/ ieșiri a fost ales modelul FX3U care are 8 intrări și 8 ieșiri, acestea fiind suficiențe pentru comenzile ce urmează să fie direcționate din automatul programabil către LWM ( Well Manager).

Parțile componente ale automatului programabil Mitsubishi FX3U-16M

1. Circuite de intrare și ieșire:

Circuitele de intrare utilizează intrări flotante. Acestea sunt izolate electric de celelalte circuite ale automatului programabil, prin optocuplori. Circuitele de ieșire pot fi pe tranzistori sau pe relee. Ieșirile pe tranzistori sunt de asemenea izolate electric de celelalte circuite ale automatului programabil, prin optocuplori.

Tensiunea de comutare a tuturor intrărilor digitale trebuie să fie aceeași (de exemplu 24 V DC). Această tensiune poate fi primită de la unitatea de alimentare integrată a automatului programabil. Dacă tensiunea de comutare la intrări este mai mică decât valoarea nominală, intrarea un o să fie procesată.

Curentul maxim de ieșire este de 2A pentru modelele pe relee ce alimentează sarcini rezistive, 250 V trifazat și 0,5 A pentru sarcini alimentate la 24 V DC.

1. Alcătuirea unității de bază FX3U-16M

Figura 4 – schema pe componente a automatului programabil FX3U

1. Alte exemple de aplicații în care pot fi folosite automatele programabile

Automatele programabile sunt extrem de versatile, drept dovadă fiind aria vastă în care pot fi folosite. Mai jos unul dintre exemplele elocvente care pot fi implementate de către utilizatori casnici :

Folosirea automatului programabil pentru o aplicație care implică comandă unei uși tip rulou:

Figura 5 – Schema de principiu a conexiunilor pentru automatizarea unei usi rulou

Figura 6 – Elementele componente ale automatizării unei uși rulou unde S1-comutator cu cheie; S2- buton comandă ridicare ușă; S3-comutator de limitare pentru poziția “complet deschis”; S4 – buton de comandă închidere ușă; S5- buton comandă închidere ușă; S6- comutator de limitare pentru poziția “complet inchis”; S7- barieră fotoeléctrica.

Dezvoltarea PLC-urilor in ordine cronologica:

In Figura 4 este prezentat modelul de Automat programabil folosit în implementarea aplicației de repornire automată a sondelor de extracție țiței.

Programarea unității PLC cu ajutorul softului Melsoft este redată în Screen-shot-urile de mai jos:

Figura 10 – prezentarea introducerii datelor in softul de programare

Figura 11 – prezentarea introducerii datelor in softul de programare

B-Unitatea LWM Lufkin – Controlerul sondelor sau Well Manager

În procesul de extracție țiței se folosește cu preponderență un cotroler al sondelor și subansamblelor acestora pentru armonizarea și eficientizarea procesului de extracție. Prin folosirea unui astfel de controler se eficientizează costurile generate de extracție de țiței și se optimizează folosirea zăcământului de țiței cu costuri minime. În cazul aplicației prezentate în acest proiect de licență au fost folosite controlere de tip Lufkin LWM. Câteva avantaje și caracteristici ale acestora sunt prezentate succint mai jos. :

Managerul LWM sau unitate de control, funcționează în tandem cu o pompă cu cavitate progresivă (PCP) și cu o unitatea de viteză variabilă (VSD) pentru optimizarea extracției de lichide ( țiței în cazul nostru) în timp ce protejează pompă. Algoritmul de control brevetat variază viteza pompei în timp ce măsoara cantitatea de lichid de la pompă. Controlerul crește viteza pompei în etapele definite de utilizator. Ratele de producție sunt măsurate la fiecare pas pentru a stabili viteză pompei, în concordanță cu volumul de lichid. Când o creștere a vitezei pompei nu crează o creștere proporțională a produsului extras, controlerul încetinește viteza în păși până la o omogenizare între viteză pompei și lichidul extras.

Funcțiile secundare de control încetinesc pompa în cazul în care sunt încălcate semnalele de alarmă predefinite. În cazul în care VSD-ul continuă să fie în stare de alarmă atunci când se atinge o viteză minimă programată, LWM va opri sondă pentru a preveni deteriorarea echipamentelor de pompare. Algoritmii de control secundar monitorizează:

• Un semnal de cuplu de la unitatea VSD

• Turația arborelui pompei, așa cum este indicată de efectul unui traductor hall care detectează un magnet montat pe tijă;

• Limite de rată scăzută / ridicată a lichidului;

Opțiuni de măsurare a producției susținute de LWM PCP includ:

• Acumularea impulsurilor sosite de la senzori cu contact uscat;

• Intrare analogică;

• Semnal de presiune diferențială de la un contor.

Alte avantaje ale controlerului LWM:

– Poate menține înregistrări ale eșantioanelor anterioare de 1500 de minute pentru crearea a variabilelor de proces, inclusiv rata de producție, viteza de ieșire la VSD, viteza actuală a arborelui pompei, semnalul de cuplu și puterea de la VSD;

– Poate relua și stoca antecedentele de producție zilnică pentru o perioadă de 60 de zile;

– LWM PCP utilizează un protocol de comunicație compatibil Modbus. De asemenea

oferă avantajele modulului Extended Lufkin Automation Modbus (ELAM) protocol compatibil cu software-urile SCADA ce depăsesc limitele convenționale Modbus.

– Toate datele de configurare, stare și date istorice pot fi ușor accesate și gestionate prin interfața tastaturii locale sau printr-o legătură cu software-ul Scada.

– LWM PCP funcționează pe platformă hardware LWM, reducând numărul de piese de schimb necesare pe stoc, simplificarea instruirii personalului și oferirea unei soluții unitare de software pentru pompă cu tijă, sondă de injecție și pompă cu cavitate progresivă.

Figura 12 – Unitatea de control LWM

Fig. 12 : Unitate de contro sonda LWM

Convertizor de frecvență de tip Toshiba( pentru sondele alimentate la 400V) sau ABB ( pentru sondele alimentate la 500V)

Mai jos sunt prezentate câteva din avantajele folosirii unui convertizor de frecvență în procesul de extracție țiței, definiția teoretică a convertizorului de frecvență și modurile de comandă ale acestuia.

“Un convertizor de frecvență este o componența electronică ce ajută la ajustarea turației și puterii unui motor electric, prin varierea frecvenței curentului și a voltajului acestuia”

Față de metodele de acționare cu contactoare, utilizarea Convertizorului de Frecvență pentru comandă motorului asincron trifazat este o metodă, care oferă câteva avantaje :

-turația motorului poate fi reglată în limite lărgi;

-pornirea motorului fără șocurile caracteristice unei porniri clasice cu contactoare, asigurând în același timp un cuplu suficient pentru pornire;

-opțiunea frânării rapide a motorului;

-economii în consumul de energie electrică;

-motorul poate fi introdus într-o buclă de reglare automată;

-realizarea rapidă a conexiunilor electrice și punerea în funcțiune într-un timp scurt;

-protecție suplimentară a motorului (termică, la sub și supratensiune, punere la pămant, scurtcircuit, etc).

Convertizoarele de frecvență au 3 componente principale: un redresor, un filtru capacitiv și un invertor. Comandă tranzistoarelor invertorului este dată de un microprocesor și are la bază metodă modulării în lătime a impulsurilor. Tranzistoarele sunt cu preponderentă de tip IGBT și ele comută la frecvențe de ordinul 4-20 kilohertz.

Figura 13 – Schema de principiu a unui convertizor de frecventa

Convertizorul de frecvență se poate comandă în patru moduri distincte :

1. manual, de pe panoul didactic, cu ajutorul intrărilor digitale (comandate de switch-uri 0-“ON”-“ON cu revenire”) și intrării analogice (potențiometru 0-10V);

2. cu ajutorul panoului de comandă digital existent pe convertizor;

3. prin rețea, cu ajutorul PC-ului și PLC-ului;

4. direct de către automatul programabil, cu ajutorul bornelor de pe panoul A4 (exemplu: reglarea vitezei printr-o tensiune de comandă externă-o intrare analogică, comandă ON/OFF printr-o intrare digitală, indicarea stării actionării-o ieșire digitală, indicarea turației-o ieșire analogică de 0-20mA).

În cazul unitatilor de control LWM au fost folosite cu preponderenta convertizoarele Toshiba pentru sondele alimentate la 400 V si ABB pentru sondele alimentate la 500 V. Un prim motiv pentru alegerea acestor convertizoare a fost service-ul relativ facil al lor, disponibilitatea acestor tipuri de convertizoare de frecvență în stocuri în România și disponibilitatea echipelor mobile de depanare în timpi relativi scurți.

Figura 14 – Fișa tehnică pentru convertizorul Toshiba folosit în ansamblul de foraj

Mai jos câteva caracteristici care au dus la selecționarea tipului de convertizor Toshiba :

• Control analog sau compensare analogică

• 7 păși de viteză, 8 viteze de control

• 3 păși de viteză, 3 viteze de control

• 4 păși de viteză, autocirculație

• Configurare viteză de control

• Definire control parametrii prevenirea, blocarea si limitarea curentului de ieșire

• Control V / F și compensatoriu pentru cuplu

• Compensare prin reducerea tensiunii

• Multiplicator curent pentru compensare

• Control în timp al suprasarcinilor și supratensiunilor

• Frână CC

• Comunicare RS 485

• Algoritm PID încorporat

• Peste 230 funcții pentru o mai bună flexibilitate.

Figura 15 – Convertizorul de frecventa Toshiba

Principiul de funcționare/ descrierea tehnică a procesului de frânare

Sondele de extracție țiței dotate cu unități UARC sunt practic alcătuite dintr-un motor de 7.5 kw care angrenează prin curele o tijă de extracție tensionând-o. În momentul în care cade tensiunea de alimentare la ansamblul de extracție titeti, tijă începe să se detensioneze cu o viteză care crește odată cu durată lipsei de tensiune. Principiul instalat la aceste sonde a fost gândit că în momentul în care nu mai este tensiune de alimentare să fie acționată automat o frână mecanică sau hidraulică. În timp aceste frâne au început să se deterioreze și să nu mai performeze la standardele inițiale, nereușind să oprească într-un timp cât mai scurt detensionarea tijei. De aici intervin problemele legate de partea economică și partea de siguranță.

• Partea economică este cuantificată din lipsa de producție țiței, deoarece sondă poate fi repornită și pusă în operare doar după ce tija ajunge la o turație minima prestabilită. După ce se ajunge la această turație, sondă poate fi pornită din nou în condiții de siguranță tehnică;

• Partea de siguranță intră în ecuație odată cu posibilitatea de a se rupe tija și a proiecta bucăți de metal în jurul acesteia. Acest pericol apare în momentul în care se încearcă repornirea sondei sărind peste funcțiile de protecție ( anulând senzorul care citește turația tijei)

În principiu după o oprire a alimentării unității de pompare, pentru revenirea la introducerea sondei în producție este necesar de aproximativ 60 de minute. Făcând un calcul pentru estimarea pierderilor de producție cauzate de către aceste opriri ale tensiuni a rezultat :

5.5 t/zi / 24 X 4

Producția sondei număr de ore număr de opriri/ luna

Din calculul de mai sus rezultă o pierdere de aproximativ o tonă de țiței pe luna din timpul efectiv de operare al sondei. La acest calcul se mai adaugă și pierderile de materiale rezultate din plată orelor de intervenție ale echipei de mentenanța și intervenție rezultate din calculul de mai jos :

4 X 64 X 4

Ore de intervenție Tarif orar Număr de intervenții

Din acest calcul rezultă o pierdere financiară de 1024 Ron doar pentru repornirea acestor sonde. La aceste două calcule poate fi adăugat și calculul privind impactul asupra mediului rezultat din consumul de combustibil și emisiile generate de autovehiculele de intervenție.

Frânarea se face aplicând un DC asupra motorului. Curentul aplicat este graduat plecând de la 80 % și scăzând exponențial pe măsură ce tijă încetinește. Frânarea se poate face în 2 moduri :

• Continuu – menținând același procentaj de frânare într-un interval de timp

• Temporar, frâna fiind aplicată doar în momentele in care turația tijei depășește anumite valori predefinite.

Figura 16 – Unitate de extracție KUDU

Pentru aplicarea frânei de către PLC sunt folosite următoarele scenarii:

Dacă unitatea de antrenare este în modul automat , PLC-ul intervine cu frână în curent continuu;

Dacă sondă este oprită ( nu este în producție), PLC-ul nu intervine, lăsând frână mecanică să între în funcțiune. Dacă unitatea este oprita (nu este in producție) iar frâna mecanică nu este calibrată, PLC-ul intervine în momentul în care primește informația că tijă a depășit valoarea prestabilită de rotație în sens invers.

Figura 17 – Unitate de extractie de tip Neptun

Punerea în funcțiune a sistemului pilot automat de repornire a LWM – PCP

La sondele echipate cu PCP – UARC, în cazul unei opriri, frână cu care este echipată unitatea de antrenare, trebuie să asigure detensionarea tijelor cu o viteză controlată pentru evitarea deteriorării tijelor și unității de antrenare. Timpul necesar pentru detensionare este în general cuprins între 20 și 45 de minute, iar timpul în care producția este reluată (retensionarea tijelor și refacerea nivelului de lichid) este în general între 20 și 30 de minute.

Asigurarea condiției de repornire a sondei (tije oprite, detensionate), face că pierderile de producție acumulate în cazul unei opriri neplanificată (RAR) sau opriri de scurtă durată să fie cuprinsă între 40 și 75 de minute.

În cazul în care frână unității de antrenare este defectă, viteză de detensionare crește foarte mult putând deteriora sau deșuruba tijele, unitatea de antrenare sau motorul electric. De asemenea, poate crea situații periculoase.

Figura 18 – Exemplu de sonda pentru extractie titei

Scop

Instalarea unui PLC în cabină LWM, care să identifice condiția de detensionare, să comande VSD-ul să aplice o frânare în current continuu pentru a reduce viteza și dacă turația este suficient de mică, să comande repornirea LWM fără a aștepta detensionarea totală.

De asemenea reduce riscul deteriorării sau deșurubării tijelor, unității de antrenare sau a motorului electric, precum și evitarea creării unor situații periculoase. Un avantaj suplimentar este că sistemul poate fi dezvoltat ulterior cu costuri minime pentru monitorizarea parametrilor de mentenanță prin instalarea senzorilor necesari.

Figura 19 – Echipele de mentenanta la montajul sistemului de repornire automata

Calculație economică a implementării proiectului în instalațiile existențe

Pentru reducerea costurilor de instalare a echipamentelor prima decizie luată a fost aceea de a se folosi echipele de mentenanța din locații pentru fabricația și asamblarea sistemului ce urmează să fie montat în incintă unității de control a sondelor.

Studiu economic al implementării soluției

După stabilirea tipului de echipamente necesare a fost întocmit un necesar de materiale (BOQ) pentru implementarea proiectului prezentat în figură de mai jos:

Prețurile produselor din calculația de mai sus nu conțin TVA. Aceste produse pot și achiziționate de la companiile Kauf Electro Ploiești ( Punctele 2 -14) respectiv Sirius Trading ( Automatul programabil)

Fazele și cerințele necesare

1. Prima fază a implementării proiectului

a. Reducerea pierderilor de producție prin repornirea imediată a sondei

b. Limitarea vitezei de detensionare în cazul defectării frânei unității de antrenare prin injecție de curent continuu în motorul electric

2. A două fază a implementării proiectului s

a. Testarea comunicației între PLC și LWM

b. Resetarea customizata a VSD și a LWM

Figura 20 – Prima unitate de repornire montata

Figura 21 – Variantă finală a unității de repornire

Operațiuni ce urmează să fie efectuate

1. Instalarea cu ajutorul echipei de mentenanță a pilotului, o sondă de extracție țiței echipată cu frână mecanică;

2. Verificarea interfațării electrice cu LWM;

3. Testarea preliminară a pilotului prin schimbarea reglajului frânei mecanice

4. Dezvoltarea softului pentru a obține:

a. Etalonarea modulului de măsurare/calculare a turației tijei polizate;

b. Secvența de repornire a unității în cazul unui RAR;

5. Împreună cu conducerea sectorului de producție s-a hotărât mutarea echipamentului de test la sondă echipată cu frână hidraulica pentru a verifica funcționarea în condiții de funcționare reale;

6. Identificarea interconexiunilor electrice cu sistemul de reglare cu LWM;

7. Mutarea pilotului la sondă și realizarea împreună cu personalul MMT a legăturilor de interfațare;

8. Testarea funcționării prin simularea unui RAR

9. Dezvoltarea programului pentru a obține funcția de injecție de curent continuu pentru a limita turația motorului pentru cazul în care frână unității este insuficientă sau defectă;

10. Testarea interfațării și a diverselor funcții ale automatului programabil;

11. Documentarea funcționării prin realizara unui material video care exemplifică funcționarea sistemului

12. Selectarea unor sonde cu aceeași echipare pe aceeași linie electrică și compararea pierderilor de producție cauzate de RAR.

13. Instalarea cu ajutorul echipei Lufkin a pilotului la sondă echipată cu frână mecanică;

14. Verificarea interfațării electrice cu LWM;

15. Testarea preliminară a pilotului prin schimbarea reglajului frânei mecanice

16. Dezvoltarea softului pentru a obține:

a. Etalonarea modulului de măsurare/calculare a turației tijei polizate;

b. Secvența de repornire a unității în cazul unei întreruperi neprogramate (RAR);

17. Împreună cu conducerea sectorului de producție s-a hotărât mutarea echipamentului de test la sondă „X” (echipată cu frână hidraulică) pentru a verifică funcționarea în condiții de funcționare reale;

18. Identificarea interconexiunilor electrice cu sistemul de reglare cu LWM;

19. Mutarea pilotului la sondă și realizarea împreună cu personalul MMT a legăturilor de interfațare;

20. Testarea funcționării prin simularea unui RAR

21. Dezvoltarea programului pentru a obține funcția de injecție de curent continuu pentru a limită turația motorului pentru cazul în care frână unității este insuficientă sau defectă;

22. Testarea interfațării și a diverselor funcții ale automatului programabil;

23. Documentarea funcționării prin realizară unui material video care exemplifica funcționarea sistemului

24. Selectarea unor sonde cu aceeași echipare pe aceeași linie electrică și compararea pierderilor de producție cauzate de opriri neplanificate (RAR-uri) .

Funcțiile sistemului de repornire automată

1. Măsurarea continuă a vitezei la tijă polizata;

2. Calcularea turației maxime de activare a funcției de repornire în VSD;

3. Detectarea stării de rotație inversă (backspeen) turație existența fără comandă de funcționare (run) de la Lufkin Well Manager – LWM;

4. Activarea ieșirii care simulează condiția de repornire dacă turația măsurată este mai mică decât cea maximă de repornire;

5. Activarea ieșirii de resetare a Variable Speed Drive -VSD dacă se detectează eroare VSD (există o limitare de trei resetari într-o oră pentru protecția VSD);

6. Monitorizarea stării echipamentului:

a. Monitorizarea turației prin traductorul de turație (X0);

b. LWM (X2);

c. VSD (X1 VSD Ready);

d. VSD (X3 VSD Run command);

7. Comenzi către echipament:

a. Simulare condiție de turație „0” pentru LWM (semnal de repornire) prin (X0 și R2);

b. Comandă de injecție de curent continuu pentru VSD (Y1);

c. Resetarea VSD (Y2);

Figura 22 – Implementarea automatului programabil in schema de extractie existenta

Verificare montaj electric PLC FX-3U Repornire automată

În urmă montării echipamentului PLC FX-3U se vor avea în vedere următoarele:

1. Verificarea LED-urilor de la PLC:

a. POWER și RUN – trebuie să fie de culoarea verde și starea lor să fie de aprins constant.

b. 0 – trebuie să emită un fascicul luminos intermitent atunci când se rotește tija și să își mențină starea ( aprins sau stins ) pe durată perioadei cât tijă nu se rotește

c. 1,2,3 – trebuie să fie aprinse tot timpul, dacă unitatea este în funcțiune

d. Restul LED-urilor trebuie să fie stinse

2.

a. Se va citi de pe plăcuța motorului curentul nominal al acestuia ( In )

b. Se va citi din manualul convertizorului curentul nominal al acestuia (In VSD)

c. Se calculează raportul In/ In VSD după care se multiplică cu 80

d. Valoarea obținută va fi programată în convertizor la registrul F251

3. MMT- istul va ajusta frâna pentru a asigura detensionarea controlată a tijelor

4. Verificarea cu cleștele Volt-Ampermetric a curentului continuu de frânare:

a. Pe cleștele Volt-Ampermetric se comută pe starea ADC, după care se resetează pentru 0 ADC.

b. Cleștele se montează pe una dintre cele 3 faze de ieșire către motor

c. Se comută cheia de control a cabinei SAM pe modul oprit

d. În timpul opririi se citește și înregistrează de pe display-ul cleștelui curentul continuu injectat în timpul frânării motorului

e. Valoarea citită pe display-ul Volt-Ampermetrului trebuie să fie între 60-80% din curentul nominal al motorului (In)

f. În cazul în care sunt diferențe se va ajusta din nou parametrul VFD F251.

5. Se va simula o oprire neplanificată pentru verificarea bunei funcționari a sistemului de repornire.

6. În cazul oricăror neconcordanțe cu fuctionarea normală se vor nota în raportul de montaj al PLC-uri în rubrica „Observații” și va fi anunțat șeful direct.

Figura 23 – Schema monofilara de integrare in sistemul existent a schemei de repornire automata

Concluzii

După testele preliminare de laborator pentru determinarea funcționalității și beneficiilor sitemului de repornire automată cu ajutorul automatului programabil a fost instalat și testat unul din sisteme pe un câmp petrolier. Sistemul s-a dovedit eficient inbunatatind funcționalitatea și operativitatea extracțiilor de țiței prin următorii factori:

• Timpul de repornire al sondelor și reintroducerea acestora în producție a fost redus la 50% din timpul necesar înaintea implementării sistemului de repornire automată;

• Costurile de mentenanța generate de intervențiile necesare în urma căderilor de tensiune neplanificate au fost reduse cu 70%, eliminându-se aproape total necesitatea facturării interveniilor;

• Extracția de țiței a rămas în parametrii inițiali, stabiliți la punerea în funcțiune a sondelor de extracție, fiind eliminați timpii morți cauzați de către inactivitatea sondelor;

• Au fost îmbunătățiți și factorii determinanți în ceea ce privește siguranța personalului în operare, diparand nevoia că personalul operator să intervină asupra sondei de producție când tijă acesteia se rotește în sens invers.

Având în vedere rezultatele de mai sus , s-a decis implementarea sitemului pe un număr de 400 sonde. Aceste sisteme au fost montate în decursul a 6 luni de către echipele de mentenanța, fiind un succes.

Bibliografie

Manual de utilizare PLC Mitsubishi FX3U – https://www.plcsweden.com/en/page/mitsubishi-plc.php?gclid=CjwKCAjw4avaBRBPEiwA_ZetYhFB6Evb35w-JsmzX-mqtLpoJFTvDBgcKZnjHfcdDOgjjs1ZuPyZ4hoCE_gQAvD_BwE

Manual de utilizare Convertizor de frecventa Toshiba – https://www.toshiba.com/tic/motors-drives

Manual de utilizare Lufkin LWM – https://www.scribd.com/doc/150510177/LWM-RPC-User-Manual-3-00

Forajul sondelor 2 – Neculai Macovei

Introducere in microcontrolere si automate programabile – Viorel Constantin Petre