Модели и алгоритмы управления в тренажерах для операторов морских буровых комплексов

Добыча нефти и газа, разведка новых нефтяных и газовых подводных месторождений стали актуальной проблемой современности. Существующий в настоящее время дефицит энергетических ресурсов привел к созданию оборудования, предназначенного для морской разведки нефтяных и газовых месторождений. Освоение морских месторождений, как правило, связано с большими затратами, чем на суше. Так, средняя стоимость одной скважины, пробуренной на континентальном шельфе США, составляет около 3,8 миллионов долларов, а на суше примерно 392 тысячи долларов. Примерная стоимость бурения скважины глубиной 3000 метров с помощью искусственного острова, возведенного в море Бофорта, оценивается в 30 миллионов долларов, то есть почти в 80 раз больше, чем в среднем на суше в США.

Почти 90% разрабатываемых ресурсов Мирового океана составляют нефть и газ, однако, в последнее время наблюдается устойчивая тенденция к расширению добычи твердых полезных ископаемых. До настоящего времени разведка и добыча твердых полезных ископаемых была сосредоточена в зоне шельфа на глубине до 200 метров. В прибрежной и шельфовой зонах сейчас разрабатывают россыпные месторождения олова, золота, платины, редкоземельных элементов, железистых песков. За рубежом из подводных россыпных месторождений получают около 100% циркония и рутила, 80% ильменита, более 50% касситерита.

Велики и сравнительно мало изучены минеральные богатства открытого океана, в частности железно-марганцевые конкреции, распространенные главным образом на глубинах океана 4−6 кмони содержат около 35 различных элементов. Иногда масса железно-марганцевых конкреций на одном квадратном метре дна содержит 50−70 кг. По зарубежным данным только в одной из впадин Красного моря в слое осадков содержатся цветные металлы на несколько миллиардов долларов. 5.

Одним из наиболее эффективных технических средств для проведения обширного комплекса исследований, включая разведочное бурение на глубинах до 5000 м, являются морские буровые комплексы (МБК). Они представляют собой буровое судно (БС), построенный или переоборудованный корабль, снабженный специальным оборудованием для разведочного бурения и добычи нефти, газа и других полезных ископаемых. С их помощью могут быть обследованы обширные районы океана с глубинами больше 30 м. Широкий диапазон использования таких комплексов в исследовании и разведочном бурении в открытых акваториях океана требует продолжительной стабилизации в заданном местоположении. Продолжительность стабилизации в зависимости от целевого назначения может длиться более трех месяцев при активном воздействии окружающей среды. На таких больших интервалах времени может проявляться нестационарность как внешних воздействий, так и параметров, характеристик самого объекта управления. Нестационарность внешних воздействий проявляется в изменении течения, волнения, ветра и определяется состоянием погоды, являющейся непрерывной энергетической связью между атмосферой и океаном, о которой невозможно получить длительные и достоверные прогнозы. Нестационарность параметров бурового комплекса может быть вызвана длительностью технологических режимов, когда в процессе функционирования расходуется топливо, буровые трубы и другие компоненты, масса которых, в общем, составляет тысячи тонн.

Важным фактором ускоренного освоения морских месторождений нефти и газа на больших глубинах является создание тренажеров для подготовки кадров плавсостава с целью безаварийной работы при выполнении дорогостоящих технологических операций и эксплуатации сложного оборудования. Изготовление тренажеров для обучения, тренировки и отбора специалистов по системам динамического позиционирования позволит имитировать процессы управления морским буровым комплексом в условиях действия внешних 6 возмущений, как при нормальном функционировании системы управления, так и при ее полных или частичных отказах.

Проблема тренажерного моделирования системы управления БС заключается во взаимодействии сложных нелинейных закономерностей окружающей среды на всем интервале работы с объектом управления. Особенность управляемого объекта состоит в многорежимности его функционирования, при этом основной режим динамического позиционирования осуществляется без «хода», когда на буровое судно начинают оказывать существенное влияние ветер, волнение, течение.

По экономическим соображениям, с учетом погодных ограничений, при тренажерном моделировании системы управления для режима динамической стабилизации возникает проблема максимального расширения возможности функционирования МБК в условиях изменения состояния моря. Наиболее сильное воздействие на него оказывает волнение моря, вызывающее бортовую, килевую, вертикальную качки и другие периодические движения, которые ограничивают режим бурения. В этом случае возникает задача ориентации бурового судна таким образом, чтобы максимально снизить действие этих возмущений. Кроме того, процесс динамической стабилизации судна на основе измерения фазовых координат системой акустических датчиков усложнен наличием большого количества совершенно разнородных помех, включая акустические шумы движителей подруливающих устройств БС, и изменение акустических свойств водной среды при выбросах минеральных пород в процессе бурения. Помехи в измерении фазовых координат вносятся и качкой БС на волнении. Проблема устранения влияния такого рода помех на процесс стабилизации приобретает в данном случае важное значение. Эффективным способом решения задачи управления при наличии помех и возмущений является применение адаптивных моделей, которые дают возможность получать истинные текущие характеристики управляемого процесса. 7.

Таким образом, моделирование системы управления МБК в тренажере обусловлено большим диапазоном изменения фазовых координат, нелинейностью, многосвязностью и многорежимностью судна, оснащенного буровой колонной. Кроме того, при проведении операций морского бурения, особенно на больших глубинах, остро встает вопрос обеспечения безопасности бурового комплекса. Это связано с большой протяженностью буровой колонны, сложностью прогнозирования будущего поведения бурового комплекса. Автоматизация процесса управления положением БС позволяет исключить субъективные ошибки оператора при управлении, уменьшить вероятность аварии за счет прогнозирования будущего положения МБК.

В связи с этим актуален вопрос подготовки и переподготовки высококвалифицированных кадров для проведения морского бурения. Поскольку тренировки в процессе эксплуатации бурового комплекса трудноосуществимы, для решения указанной проблемы необходимо использовать тренажеры и тренажеры-советчики оператора. Существенным элементом обучения операторов являются тренировочные занятия в обстановке аварий, которым отводится значительное место в программах, используемых в тренажере.

Создание тренажерной системы представляет сложный взаимосвязный процесс разработки программных и аппаратных средств. При этом особую важность приобретает разработка программного обеспечения с большим количеством моделей имитаторов технологических процессов и оборудования. Рассматриваемая в дальнейшем структура тренажера позволяет придать ему максимальную гибкость, относительную независимость функционирования составляющих частей, высокую надежность. Решение поставленных задач предполагает создание и использование модели МБК в реальном и ускоренном масштабе времени, разработку математической модели буровой колонны, позволяющей адекватно отражать реальные процессы динамики бурового комплекса, которые реализуются в виде математических моделей на основе современных средств вычислительной техники. 8.

Решение вопросов разработки и внедрения тренажерных комплексов и систем управления в настоящее время связано с рядом объективных трудностей. Отсутствует достаточно полное, и вместе с тем удобное для исследований, математическое описание поведения буровой колонны в толще воды. Существующие методы и средства управления не позволяют обеспечить высокое качество управления поведением бурового комплекса при одновременном обеспечении безопасности маневрирования. Разработка программного обеспечения для тренажерных комплексов, имитирующих управление процессом бурения на больших глубинах, позволит обеспечить безопасность маневрирования и повысить качество движения бурового судна при проведении подводных геолого-геофизических исследований, а также улучшить условия труда операторов.

Отечественные и зарубежные буровые суда в настоящее время оснащены системами динамической стабилизации (СДС) построенными на основе фирменных вычислительных комплексов. Сведения об аппаратной и программной реализации таких систем носят в основном ознакомительный, рекламный характер и являются сектором фирм-изготовителей. Основным недостатком известных систем является стационарность заложенных в них законов управления. Они сложны в эксплуатации, требуют периодической регулировки настраиваемых коэффициентов устройства управления в меняющихся условиях плавания. Поэтому эффективность эксплуатации во многом зависит от качества решения задач управления движением, связанных со стабилизацией буровых судов и установок над устьем бурения. Одновременно требуется обеспечить безаварийную и высокоэффективную эксплуатацию научно-исследовательской аппаратуры и бурового оборудования. Необходимым условием безопасного и качественного проведения морских исследовательских и добычных работ, кроме того, является решение проблемы подготовки и переподготовки высококвалифицированных кадров для управления морскими буровыми комплексами с помощью тренажеров и тренажеров-советчиков опера9 торов. Таким образом, задача точной стабилизации судов в точке и на траектории еще далека от окончательного решения.

Попытки непосредственно использовать отечественные разработки моделей и алгоритмов в составе тренажеров для решения новых задач часто не приносят желаемого результата. Это во многом связано с особенностями задач управления конкретными рассматриваемыми объектами, отсутствием удобных для использования в целях управления математических моделей новых видов буровых судов, недостаточной эффективностью традиционных методов оптимизации и алгоритмизации для комплексного решения задач управления буровыми комплексами. В этих условиях проблема комплексной автоматизации технологических процессов, разработка математических моделей, и алгоритмов управления, является актуальной.

С учетом вышеизложенного целью диссертационной работы является разработка моделей, методик и алгоритмов управления в тренажерах для операторов МБК, обладающих большой протяженностью, нестационарностью характеристик, существенной инерционностью, большой вероятностью повреждения дорогостоящего оборудования в процессе эксплуатации и обеспечивающих создание высококачественных и надежных средств контроля и обучения. Управление такими объектами характеризуются значительными ограничениями на переменные управления и состояния, непостоянством критериев управления.

Успешное решение перечисленных задач возможно только на базе современных персональных электронно-вычислительных машин. Эффективным средством управления такими сложными комплексами являются системы управления с прогнозированием. Используя быструю упрощенную модель движения бурового комплекса отыскивается, а затем и реализуется на объекте безопасный и оптимальный в смысле минимума отклонения судна от точки бурения и с учетом поведения колонны вариант управления.

Для решения задачи безопасного маневрирования судна с буровой колонной необходимо осуществлять проверку на безопасность найденных оптимальных управлений, осуществлять прогнозирование будущего поведения буровой колонны при воздействии окружающей среды. Благодаря такому прогнозу оказывается возможным предоставить судоводителю оперативную информацию о будущем поведении комплекса и оценить тем самым безопасность проведения буровых работ. Такой подход к решению задачи стабилизации судна в точке бурения при условии безопасности проводимых работ определил структуру диссертационной работы, включающей построение математических моделей судна и буровой колонны с последующим использованием их для синтеза адаптивной системы автоматического управления с прогнозированием. На основании разработанных алгоритмов осуществляется построение математической модели процесса динамического позиционирования МБК, проводится исследование полученной системы управления и ее последующее использование в составе тренажера.

В процессе выполнения работы были получены следующие новые научные результаты, которые выносятся на защиту: разработана математическая модель морского бурового комплекса, включающая модель бурового судна и буровой колонны, алгоритмы расчета статических и динамических характеристик в реальном и ускоренном масштабах времениразработаны алгоритмы оперативной идентификации модели бурового судна в условиях нестационарности характеристик и неконтролируемости внешних возмущений в процессе эксплуатацииразработаны алгоритмы квазиоптимального управления бурового комплекса с использованием динамического программирования в ретроспективном времени в условиях жестких ограничений на переменные управления и состояния при изменении критерия качества в процессе функционированияи определены рациональные сочетания параметров алгоритмов управления морским буровым комплексомразработаны методика построения, структура и алгоритмы функционирования тренажерного комплекса, предназначенного для подготовки операторов к управлению МБК как в нормальных, так и экстремальных условиях, контроля действий оператора в процессе проведения добычных и исследовательских работ на мореопределены требования к структуре и вычислительным средствам тренажерного комплекса, обеспечивающие реализацию полученных алгоритмов управления, прогнозирования и обучения.

В итоге получены модели и алгоритмы управления, исрользуемые в тренажерах для подготовки и переподготовки операторов морских буровых комплексов. На основе системного подхода разработаны новые пути и методы решения входящих в основную проблему самостоятельных задач.

Эффект от использования разработанных моделей и алгоритмов выражается в существенном повышении производительности научно-исследовательских и добычных работ на море, снижении аварийности работы дорогостоящего оборудования, облегчении труда операторов, повышении достоверности результатов исследования Мирового океана.

I. ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ МОДЕЛЕЙ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ ОБУЧЕНИЯ ОПЕРАТОРОВ МБК.

Основные результаты докладывались и обсуждались на Межреспубликанской научной конференции «Методы и средства управления технологическими процессами» (г. Саранск, 1991 г.), Республиканской научно-технической конференции «Новые материалы и процессы деформации» (г. Саранск, 1991 г.), Огаревских чтениях в Мордовском госуниверситете им. Н. П. Огарева (г. Саранск, 1995), конференции молодых ученых Мордовского госуниверситета (г. Саранск, 1997), I, II международных научных конференциях «Методы и средства управления технологическими процессами» (г. Саранск, 1995, 1997), III Международной научной конференции «Дифференциальные уравнения и их приложения» (г. Саранск, 1998), международной научно-технической конференции «Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажеров» (г. Пенза, 1999).

По теме диссертации опубликованы следующие основные работы:

1. Разработка и изготовление тренажера для обучения специалистов по системам динамического позиционирования: Отчет о НИР (II этап)/ Морд. гос. ун-тРуководитель работы В. А. Нечаев- № ГР 1 900 055 145- Инв. № 29 200 044 215. Саранск, 1989. 180 с.

2. Разработка и изготовление тренажера для обучения специалистов по системам динамического позиционирования: Отчет о НИР (III этап)/ Морд. гос. ун-тРуководитель работы В. А. Нечаев- № ГР 1 900 055 145- Инв. № 2 920 007 228. Саранск, 1990. 256 с.

3. Савкина A.B. Численная реализация приближенных формул, описывающих напряженно-деформированное состояние гибких вертикальных колонн при больших глубинах воды. //Методы и средства управления технологическими процессами. Тез. докл. Межреспубл. научн. конф., 23−25 мая 1991 г. -Саранск, 1991. — с.61−62.

4. Савкина A.B. Моделирование напряженно-деформированного состояния буровой колонны, вызываемого колебаниями платформы. //Новые материалы и процессы деформации. Тез. Докл. Республ. научн. техн. конф., Саранск, 1991. -с.22−23.

5. Савкина A.B. Динамическое напряженно-деформированное состояние центральной зоны колонны. //Методы и средства управления технологическими процессами. Сборник научных трудов 2- ой Межреспубл. конф., Саранск, 1991. — с. 145−152.

6. Савкина A.B. Прогнозирование экстремальных значений динамических прогибов, углов поворота и напряжений в колоннах морских плат-форм.//Методы и средства управления технологическими процессами. Тез. докл.3-ей Межреспубл. научн. конф., Саранск, 1993. с. 55.

7. Савкина A.B. Вибрация систем морских вертикальных трубопроводов. //Методы и средства управления технологическими процессами. Тез. Докл. международной научн. конф., Саранск, 1995.

8. Савкина A.B. Экстремальные значения параметров напряженно деформированного состояния куста колонн. Тезисы докладов научной конференции 24 Огаревские чтения, Саранск, 1995. с.55−56.

9. Нечаев В. А., Савкина A.B. Модель буровой колонны как элемент в программном обеспечении тренажера //Тр. II междунар. науч. конф. «Методы и средства управления технологическими процессами» .— Саранск, 1997.— С. 176−183.

10. Савкина A.B. Модель бурового оборудования для тренажеров операторов динамического позиционирования. Тезисы докладов второй конференции.

154 молодых ученых Мордовского государственного университета имени Н. П. Огарева, Саранск, 1997. — С.226.

11. Нечаев В. А., Савкина A.B. Оперативная идентификация параметров бурового судна в процессе удержания над устьем бурения // Тр. III Междунар. науч. конф. «Дифференциальные уравнения и их приложения» .— Саранск,.

1998,—С. 88−89.

12. Нечаев В. А., Савкина A.B. Тренажер морского бурового комплекса // «Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажеров». Сборник материалов международной научно-технической конференции, Пенза,.

1999, —С. 76−78.

13. Савкина A.B. Применение метода динамического программирования для оптимизации движения морского бурового комплекса // «Актуальные вопросы естественных и технических наук». Межвузовский сборник научных трудов, Саранск, 2000. — С. 52.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В наше время в отечественной практике не существует полных моделей для тренажерных систем с учетом поведения буровой колонны, ее воздействия на буровое судно и, соответственно, правильного выбора стратегии управления. В процессе проведения теоретических и экспериментальных испытаний получены следующие основные результаты.

1. Разработаны модели и алгоритмы для подготовки операторов морского бурового комплекса.

2. Получены формулы для расчета параметров буровой колонны в зависимости от внешних воздействий. Получена и исследована математическая модель бурового судна, позволяющая учесть влияние буровой колонны и условия ее эксплуатации. Произведена линеаризация модели для режимов стабилизации судна.

3. Получены алгоритмы оперативной идентификации бурового судна. Алгоритм идентификации реализован на ПЭВМ. Определены значения коэффициентов, регулирующие скорость сходимости алгоритмов.

4. Разработаны алгоритмы управления, основанные на методе динамического программирования в ретроспективном времени.

5. Определены требования к вычислительным средствам тренажерных комплексов для реализации разработанных моделей и алгоритмов. Доказана возможность их непосредственного использования на морском буровом комплексе и в составе тренажеров.

6. Произведено исследование моделей и алгоритмов на цифровом моделирующем комплексе в условиях разнообразных внешних возмущений. Результаты моделирования и натурные испытания подтвердили целесообразность их использования.

7. Разработана и реализована структурная схема тренажера для подготовки операторов МБК, использующая разработанные математические модели, алгоритмы идентификации, оптимизации и прогнозирования.

8. Разработан и изготовлен действующий образец тренажера. Произведен комплекс лабораторных и морских испытаний, подтверждающий правильность полученных в процессе теоретических и экспериментальных исследований результатов.