Контроллер FX5 Mitsubishi Electric для построения систем кустовой телемеханики

Опубликовано в номере:
PDF версия
Система телемеханики (ТМ) нефтедобывающих скважин — важнейший элемент в управлении производственным процессом добычи нефти. Только своевременно получая достоверную и полную информацию о работе полевого нефтепромыслового оборудования, можно контролировать, анализировать и оптимизировать технологические режимы нефтедобычи. Также эти данные служат основой для построения математических моделей оптимальной эксплуатации пласта в специализированных программах при создании проектов интеллектуальных месторождений. В статье рассмотрена линейка компактных ПЛК серии FX5 производства компании Mitsubishi Electric, которые снабжены всеми необходимыми функциями для применения в системах ТМ и при этом отличаются невысокой стоимостью.

Введение

Система кустовой ТМ состоит из множества типовых территориально рассредоточенных по нефтяному месторождению объектов (шкафов ТМ). Она имеет распределенную архитектуру с передачей данных в центральный диспетчерский пункт. Общее количество контролируемых параметров зависит от количества скважин на месторождении и может колебаться от нескольких сотен до нескольких тысяч. При этом набор параметров, собираемых с отдельного куста скважин, как правило, однотипный и не превышает нескольких десятков.

Все эти факторы диктуют определенные требования при выборе аппаратной платформы (в частности, к контроллерному оборудованию) во время проектирования шкафов кустовой ТМ. В таблице 1 представлены типовые требования к ПЛК для системы ТМ.

Таблица 1. Факторы, диктующие требования к ПЛК в системах кустовой ТМ

Фактор

Требование к ПЛК

Удаленность объектов от центрального диспетчерского пункта

Возможность удаленной диагностики

Возможность удаленного изменения программы контроллера

Возможность удаленного снятия архива накопленных значений

Расположение шкафа ТМ вне помещений

Расширенный температурный диапазон работы ПЛК

Устойчивость к помехам, гальваническая развязка каналов ввода/вывода

Надежность аппаратной части

Беспроводные сети передачи данных на ЦПУ с возможными обрывами связи

Поддержка локальной буферизации данных в случае обрыва связи с ЦПУ

Необходимость опроса смежных подсистем на кусте (СУ ШГН, СУ ЭЦН, СКЖ и т.д.), передачи данных в ЦПУ

Наличие сетевых интерфейсов с поддержкой стандартных протоколов передачи данных (Modbus RTU/TCP)

Возможность увеличить количество сигналов ввода/вывода за счет добавления новых скважин или дополнительных параметров контроля

Возможность расширения ПЛК дополнительными модулями ввода/вывода

Небольшое количество физических сигналов на куст, простая логика управления, но при этом большое количество объектов в системе ТМ

Сравнительно невысокая стоимость контроллера

Необходимость обслуживания системы ТМ службой АСУ ТП нефтяной компании с возможностью модификации элементов программы ПЛК

Поддержка стандартных промышленных языков программирования с возможностью комментирования кода

Проанализировав требования к ПЛК для систем кустовой ТМ, инженеры компании Mitsubishi Electric убедились в том, что линейка компактных ПЛК серии FX5 оптимально подходит в качестве аппаратной платформы для построения шкафов ТМ. В этих контроллерах набор необходимых функциональных характеристик сочетается с такими важными параметрами для данного класса систем, как сравнительно невысокая стоимость и высокая надежность.

 

Конструктив

Программируемый контроллер FX5 представляет пятое поколение популярной линейки компактных ПЛК серии FX от Mitsubishi Electric. Базовый блок контроллера изготавливается в двух вариантах (полноразмерный / компактный) и содержит встроенный блок питания на ~220 или –24 В, модуль ЦПУ, дискретные и аналоговые входы/выходы, сетевые интерфейсы последовательной связи RS-485 и Ethernet, а также кард-ридер для SD-карты (рис. 1). При необходимости функционал контроллера можно расширить с помощью дополнительных модулей, которые устанавливаются справа и слева от базового блока. Общее количество физических каналов ввода/вывода — не более 256. Возможность модульного расширения контроллера важна при подборе оптимальной конфигурации в зависимости от набора оборудования на конкретном кусте скважин. Это преимущество обеспечивает масштабируемость системы при увеличении объема автоматизации.

Архитектура ПЛК Mitsubishi Electric серии FX5

Рис. 1. Архитектура ПЛК Mitsubishi Electric серии FX5

Стоит отметить температурный диапазон работы контроллера FX5. Согласно спецификации он составляет –20…+55 °С. При этом испытания данного контроллера при более низких температурах (до –40 °С) доказали его полную работоспособность в различных режимах (холодный и теплый старт).

 

Производительность

Как правило, в системах кустовой ТМ нефтедобычи к производительности ПЛК не предъявляются высокие требования. Основными задачами являются сбор, накопление и передача информации на верхний уровень. Но по мере развития проектов интеллектуального месторождения, направленных на определение и поддержание оптимального режима добычи нефти, нагрузка на вычислительные мощности контроллера возрастает. Увеличивается количество параметров, добавляются функции математической обработки данных. Можно смело утверждать, что производительность, заложенная разработчиками в ПЛК FX5, дает возможность использовать этот контроллер как в простых, так и в сложных проектах со специфическими требованиями. Время исполнения инструкции составляет 34 нс, минимальное время цикла программы — 200 мкс. Емкость памяти программ — 64/128 тыс. шагов. Такие значения параметров позволяют создавать сложные программы на локальном уровне, обеспечивая минимальное время опроса датчиков и выдачи команд на исполнительные устройства.

 

Коммуникационные возможности

Базовый блок ПЛК FX5 оборудован встроенным портом Ethernet. Контроллер поддерживает до восьми одновременных подключений (сокетов) по различным протоколам передачи данных, включая Modbus TCP Client/Server для обмена данными между подсистемами, протокол FTP для передачи файлов, протокол HTTP для работы с ПЛК через веб-браузер и протокол SNTP для синхронизации времени контроллера. Что касается последовательных интерфейсов, то FX5 снабжен портом RS-485 c поддержкой протокола Modbus RTU (до 32 устройств на шине). С помощью адаптеров расширения количество серийных портов контроллера может быть увеличено до четырех. В случае необходимости для любого серийного порта можно разработать нестандартный протокол опроса устройств. В частности, по просьбе одного из заказчиков инженеры Mitsubishi Electric создали драйвер для опроса терморегуляторов по внутреннему протоколу ОВЕН. Сетевые возможности контроллера FX5 позволяют оптимально организовать сбор данных от вторичных приборов и локальных подсистем на кусте скважин, а также обеспечить их передачу в центральный диспетчерский пункт.

 

Система ввода/вывода

Контроллер FX5, в зависимости от модели базового блока, содержит 32/64/80 встроенных дискретных каналов ввода/вывода (в равном соотношении). При этом первые восемь дискретных каналов могут работать и в режиме счетчиков, что может быть полезным при работе с полевыми приборами с импульсным выходным сигналом (СКЖ, турбина). У всех каналов есть яркая световая индикация, которая облегчает диагностику работы контроллера «в поле». В целях повышения надежности каналы снабжены гальванической развязкой по питанию.

Для работы с аналоговыми сигналами можно либо использовать два встроенных вольтовых канала, либо добавить 4- или 8-канальные модули расширения аналогового ввода/вывода с токовым сигналом 4–20 мА.

Таким образом, архитектура ПЛК FX5 позволяет создавать оптимальную конфигурацию под конкретный шкаф ТМ — от минимального набора сигналов до достаточно сложной системы. Общее количество физических каналов контроллера достигает 256 точек.

 

Буферизация данных

Чтобы обеспечить соблюдение требования к буферизации данных в системах кустовой ТМ, в базовом блоке контроллера FX5 предусмотрен слот для работы с картами памяти SD. Данные, накопленные на SD-карте, могут быть переданы в центральную диспетчерскую систему по различным протоколам, в том числе FTP.

Двумя другими удобными функциями встроенного кард-ридера являются возможность логирования определенных параметров работы контроллера с дальнейшим анализом в приложении GX LogViewer (рис. 2), а также функция обновления прошивки контроллера. Последняя особенно полезна в случае необходимости обновить программу ПЛК в полевых условиях без использования среды разработчика и при отсутствии навыков программиста у оператора.

Функция логирования данных

Рис. 2. Функция логирования данных

 

Безопасность

В целях обеспечения информационной безопасности в контроллере FX5 предусмотрена возможность фильтрации IP-адресов (рис. 3). Доступ к контроллеру предоставляется только адресам из разрешенного списка.

 Фильтрация IP-адресов

Рис. 3. Фильтрация IP-адресов

Также в контроллере реализована возможность авторизации пользователей или компьютеров. Это обеспечивает защиту от несанкционированного доступа неавторизованных пользователей к отдельным частям и/или ко всему проекту контроллера в зависимости от настроек.

 

Встроенный веб-сервер

Еще одна полезная функция — встроенный в ПЛК веб-сервер, который дает возможность после прохождения процедуры авторизации подключиться к контроллеру через обычный веб-браузер с компьютера или с мобильного устройства. При этом можно получить доступ к основным настройкам контроллера и системным экранам и посмотреть значения регистров (рис. 4).

Примеры экранных форм встроенного веб-сервера

Рис. 4. Примеры экранных форм встроенного веб-сервера

Но наибольший интерес в функционале встроенного веб-сервера представляет возможность разработки полноценных пользовательских HTML-экранов. Это позволяет создать на базе FX5 полноценный интерфейс оператора, отказавшись от необходимости использовать отдельную HMI-панель. Шкаф ТМ располагается на улице, и с работой ЖК-панелей в зимнее время могут возникнуть проблемы. При наличии точки доступа на кусте скважин оператор может, не выходя из машины, подключиться к контроллеру, просто задав в мобильном устройстве или ноутбуке IP-адрес в браузере. После прохождения авторизации оператору будет предоставлен доступ к созданному программистами интерфейсу.

 

Программирование

Работа по настройке и программированию контроллера FX5 осуществляется в современной среде разработчика GX Works3 Mitsubishi Electric (рис. 5). Контроллер поддерживает стандартные промышленные языки программирования LD, FBD и ST. Среда разработчика содержит ряд заслуживающих внимания функций, например автоматическую генерацию проекта при графическом создании конфигурации ПЛК, переход от программирования в сторону параметрирования большинства настроек контроллера, широкую библиотеку готовых функциональных блоков, интерактивную контекстную помощь. Для упрощения отладки среда разработки включает встроенный симулятор ПЛК и различные модули онлайн-мониторинга. При эксплуатации системы среда разработки предоставляет мощные инструменты диагностики состояния ПЛК FX5, что помогает оперативно локализовать, идентифицировать и устранить причины сбоя. При этом нет необходимости выезда на объект.

Студия разработчика GXWorks3

Рис. 5. Студия разработчика GXWorks3

 

Заключение

Контроллер FX5 с широким набором встроенных функций оптимально подходит в качестве ПЛК для систем ТМ, отвечая всем требованиям данного применения. Пользователю доступны работа в суровых условиях эксплуатации, коммуникационные возможности, функции буферизации и защиты от несанкционированного доступа, легкость настройки и программирования и высокая надежность — и все это по доступной стоимости. Один из вариантов конфигурации для шкафа кустовой ТМ представлен в таблице 2. Стоимость данного комплекта не превышает 60 тыс. руб. Для системных интеграторов компанией ООО «Мицубиси Электрик (РУС)» предусмотрена программа сотрудничества на особых условиях.

Таблица 2. Пример конфигурации шкафа кустовой телемеханики

Артикул

Модель

Описание

Кол.

Ед.

280491

FX5U-32MT/ESS

Контроллер FX5U ~100–240 В: 16 входов = 24 В; 16 выходов — транзисторы (source); 2 аналоговых входа; 1 аналоговый выход; порт Ethernet; порт RS-485; кард-ридер для SD-карт

1

шт.

283559

FX5-4AD-ADP

Модуль расширения: 4 аналоговых входа

2

шт.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *