Сбор данных с нефтяных скважин
Ощепков А.Ю., Карпов С.Б.,
Лопаев В.С.


ФГУП «ОКБ «Маяк»
Пермский государственный национальный исследовательский университет
Рассмотрена возможность получения данных от теплоэнергоконтроллера ИМ2300 с использованием сетей LPWAN. В работе представлен пример использования технологии Lora и разработанного программного обеспечения для применения ИМ2300 в сетях Lora: считывания показания каналов различными потребителями.
Для оперативного контроля и регулирования процесса добычи нефти на скважинах и трубопроводах устанавливают первичные измеряющие устройства, которые получают данные о силе напора насоса, уровне жидкости в резервуаре, а также датчики давления и температуры [1]. Информация от первичных измеряющих устройств подлежит дальнейшему анализу, при этом получение информации может производиться автоматически в онлайн-режиме и/или периодически оператором в заданный интервал времени [2].

Задачу сбора и, при необходимости, локальной обработки информации с первичных датчиков, а также последующей передачи данных в диспетчерский пункт может решать теплоэнергоконтроллер ИМ2300. Прибор ИМ2300 имеет на входе токовые каналы 4–20 мА, число-импульсные каналы (ЧИ) и каналы термометров сопротивления (R). Общее число входных каналов — 10 (рис. 1). Погрешность преобразования полученных сигналов не превышает 0,1 % [3].
Рис. 1. Подключение первичных датчиков к прибору ИМ2300
Данные с прибора могут считываться непосредственно или передаваться через последовательные интерфейсы RS232 и RS485. Для удаленной передачи данных используются адаптеры, такие как ИМ2318-GSM, которые позволяют передавать данные через сотовую сеть GSM и ETHERNET-RS485, соединяя устройство и компьютер на расстоянии до 100 м. Однако наиболее перспективной для дистанционного контроля работы скважин на месторождениях является технология промышленного интернета вещей (IIoT) [4].

Для расширения возможностей получения данных с устройства ИМ2300 было принято решение передавать измеренные значения с помощью технологии глобальных сетей с низким энергопотреблением (LPWAN). LPWAN — это сеть, состоящая из конечных устройств (узлов), шлюзов и концентраторов. Эти сети обычно могут поддерживать тысячи конечных устройств, где каждое устройство питается от батареи. Даже при низкой мощности передачи эти устройства могут передавать данные на большие расстояния. Лучшими сторонами LPWAN являются: низкая стоимость; более длительный срок службы датчиков от батареи; хорошая скорость передачи данных; низкая задержка; возможность работать с датчиками, которые перемещаются в пространстве; большая дальность передачи данных; больший охват даже в плотных районах, таких как города или леса; простая модель развертывания, которая также предполагает совместимость с существующими сетями и повышенную масштабируемость без помех. Основными технологиями, основанными на LPWAN, являются Lora, Sigfox, NB-IoT.

Сравнительный анализ, представленный в работе [5], показал, что для контроллера ИМ2300 строить решение эффективнее всего на основе сетей Lora. Так как контроллер требует постоянного электропитания, то его по классификации устройств Lora можно определить как «Класс С». Для подключения контроллера было необходимо подобрать соответствующее устройство-адаптер для подключения в сеть Lora. Также это устройство должно позволять производить соединение с помощью интерфейса RS-485.

В качестве адаптера подошло устройство — счетчик импульсов Вега СИ-13 производства компании «Вега-Абсолют». Также были использованы предоставляемые компанией шлюзы и программное обеспечение для сервера приложений [6].
Контроллер ИМ2300 разрабатывался с расчетом на то, что для получения данных с ним будет взаимодействовать один пользователь, либо сам контроллер будет периодически отсылать данные. Это было вполне естественным и технологичным решением для своего времени и областей применения.

В сети Интернета вещей все устройства подключены к облачным сервисам и могут обмениваться данными между собой и различными сервисами. Облачные сервисы могут использовать одни и те же конечные устройства для выполнения своих задач: считывание показателей, изменение состояния устройств. Сервисы в облачной среде ничего не знают друг о друге. Нет никаких гарантий, что одновременно два или более сервиса не попытаются выполнить взаимоисключающие или противоречащие друг другу задачи. Возникает проблема многопользовательского доступа к ресурсу. Для решения этой проблемы было разработано специальное программное обеспечение, размещаемое в облачных сервисах, позволяющее внешним клиентам или приложениям, используя специальное API, производить работу с контроллерами ИМ2300 в общей среде, не создавая помех друг другу. Программное обеспечение разрабатывалось на стеке технологий от Microsoft. В качестве основного языка программирования описания логики обработки команд устройствами ИМ2300 и Вега СИ-13 использовался язык F# с исполняющей средой dotnet core 3.1. Пример кода приведен на рисунке 2. В качестве основной парадигмы F# использует функциональное программирование и содержит реализацию алгебраических типов данных, что позволяет писать более простой и надежный код программы. Также был использован фреймворк для построения распределенных вычислений Microsoft Orleans [7].
Рис. 2. Пример программного кода на языке F# для описания логики обработки команд устройствами ИМ2300 и Вега СИ-13
Для наглядности и проведения экспериментов также было разработано веб-приложение с графическим интерфейсом пользователя для взаимодействия с устройством, использующее вышеупомянутое API. Для проверки работоспособности было произведено считывание показателей измеренных значений нескольких каналов контроллера ИМ2300. Приложение позволяет считывать отдельные каналы в реальном времени или считывать показания нескольких каналов сразу, есть возможность установить периодическое считывание каналов и выдачу результатов как поток данных внешним сервисам (рис. 3).
Рис. 3. Результаты считывания каналов тепловой энергии Qt (расчетные величины), температуры Т (измеренные величины) и тепловой мощности Wt (расчетные величины) прибора ИМ2300
Произвести считывание измеренных данных в черте города удалось на расстоянии 6 км между контроллером ИМ2300 и шлюзом Lora. Это является хорошим показателем, поскольку в городе гарантируется дальность приема и передачи сигнала
2–5 км, тогда как для загородной местности этот показатель составляет 30 км [6].
ИТОГИ
Показаны возможности работы теплоэнергоконтроллера ИМ2300 в сетях Lora.
ВЫВОДЫ
Результаты показывают, что разработанное программное обеспечение и возможности получения данных с теплоэнергоконтроллера ИМ2300 в сети IIoT, применяемые для оперативного мониторинга работы нефтяных скважин, могут быть расширены с использованием сетей Lora [8].
ЛИТЕРАТУРА
1. Лопухов И. Интеллектуальные системы на нефтяных месторождениях // Control Engineering Россия. 2017. № 2. С. 74–78.

2. Самбурова А.А., Сергеев И.Ю. Способ измерения дебита нефтяных скважин. Патент № RU 2701268 C1 от 25.09.2019.

3. Прибор вторичный теплоэнергоконтроллер ИМ2300. Руководство по эксплуатации. ИМ23.00.001РЭ. Гос. реестр
№ 14527-17. 2017. URL: http://okbmayak.perm.ru/download/IM2300Re1.pdf

4. Дартнелл К. Нефтегазовая отрасль держит курс на цифровизацию // Control Engineering Россия IIoT. 2018. Май. P. 14–15.

5. Лопаев В.С. Современные технологии дистанционного сбора данных с
приборов учета энергоресурсов // Вестник Пермского университета.
Информационные системы и технологии. 2019. № 1. С. 40–43.
6. Устройство Lorawan Вега СИ13. Руководство по эксплуатации. URL: https://iotvega.com/content/ru/si/si13_485/01-%D0%...

7. Bykov S., Geller A., Kliot G., Larus J.R., Pandya R., Thelin J. Orleans: A Framework for Cloud Computing. URL: https://www.microsoft.com/en-us/research/wp-conten...

8. Марисов Д.А., Зацепин А.Ю., Марин Е.А., Терлеев А.В., Ларионова М.Ю. Интернет вещей в нефтегазовой сфере: анализ технологии Lorawan и возможности прикладного применения // PROНЕФТЬ. Профессионально о нефти. 2019. № 2. C. 76–80.
Ощепков А.Ю., Карпов С.Б., Лопаев В.С.

ФГУП «ОКБ «Маяк»,
Пермский государственный национальный исследовательский университет, Пермь, Россия
Материалы и методы
Ключевые слова
Для цитирования
Поступила в редакцию
УДК и DOI
Controller IM2300, Vega SI-13, Lora, F #, Microsoft Orleans.
industrial internet, LPWAN, Lora, IM2300 controller
Ощепков А.Ю., Карпов С.Б., Лопаев В.С. Сбор данных с нефтяных скважин с помощью теплоэнергоконтроллера ИМ2300 по Lora-технологии // Экспозиция Нефть Газ. 2020. № 6. С. 96–98. DOI: 10.24411/2076-6785-2020-10121
27.11.2020
УДК 518, 004.735
DOI: 10.24411/2076-6785-2020-10121
© Экспозиция Нефть Газ. Научно-технический журнал. Входит в перечень ВАК
+7 (8552) 92-38-33
Made on
Tilda