Automatyczne układy zabezpieczeń

Wiercenie w dnie morza w celu znalezienia gazu i ropy to proces wyjątkowo skomplikowany. Wymaga starannego dobrania właściwego sprzętu i odpowiedniej strategii automatyzacji.

W każdym rodzaju działań przemysłowych mogą się zdarzyć groźne wypadki. Podczas wydobywania gazu ziemnego lub ropy naftowej spod dna morza może dojść do wybuchu, którego skutki należą do najpoważniejszych. Jeśli mu nie zapobiegniemy, może uwolnić pozostające pod wysokim ciśnieniem olbrzymie ilości łatwopalnego i często toksycznego surowca. A to spowodowałoby zatrucie środowiska naturalnego i nieodwracalne szkody.
Zabezpieczenie przed wystąpieniem takiego zdarzenia wymaga starannego dobrania właściwego sprzętu ochronnego. Równie istotne jest opracowanie odpowiedniej strategii automatyzacji tego rodzaju obiektu.  

Wiertło mające kształt pierścienia jest osadzone na czole pierwszego segmentu rury. Stale dokładane kolejne segmenty rur tworzą w końcu pionowy stos osiągający wysokość tysięcy metrów, licząc od pokładu statku lub platformy wiertniczej do samego wiertła. Obracany przez głowicę wiertniczą stos rur zakończony wiertłem zagłębia się w grunt, wiercąc otwór w głąb ziemi. Wewnątrz rury początkowo znajduje się zmieszany z wodą muł, a następnie materiał skalny pochodzący z warstw podłoża, w którym wierci się otwór. Gęstość materiału wynika z wpływu wysokiego ciśnienia, jakiemu jest on poddawany. Laboratoryjne badanie jego charakterystycznych właściwości pozwala na ocenę, jak daleko od celu (poszukiwanego złoża) znajduje się wiertło. Jednak czasem zdarza się, że nagłe uderzenie węglowodorów uwolnionych po przebiciu się do złoża, potrafi wyrzucić wszystko ponad otwór wylotowy i wypłynąć jak gejzer na platformę wiertniczą.

Tego rodzaju wybuch jest dla małej platformy katastrofą. Może temu zapobiec jedynie masa wypełniająca rury (jako naturalna blokada) oraz odpowiedni system zabezpieczający.

Opanowanie wybuchu
Na szczęście takie wybuchy są teraz rzadkością. W dużym stopniu jest to rezultat opracowania specjalnych, mocnych i odpornych urządzeń automatyki. Stanowią one swego rodzaju bezpiecznik przeciwwybuchowy (BOP – blouout preventer) sterowany przez układ automatyzacji pracujący w bezpośrednim sprzężeniu z obiektem.

Pierwsze hydraulicznie napędzane urządzenie BOP zostało opracowane przez Hydril. Główny zespół BOP jest wykonany z gumy o wysokiej wytrzymałości. Ma postać pierścienia regulującego (przez zaciskanie lub otwieranie) wielkość otworu wylotowego ze stosu rur urządzenia wiertniczego. W ten sposób regulowane jest natężenie i odcinanie wypływu gazu lub ropy. Firma Hydril, która opracowała pierwsze takie urządzenie w latach trzydziestych ubiegłego wieku, działa do dzisiaj i jest liderem w produkcji urządzeń zabezpieczających(BOP) oraz układów regulacji pracą tych urządzeń. Wyroby tej marki stosowane są na całym świecie i pracują w najbardziej ekstremalnych warunkach – na dużych głębokościach, przy wysokim ciśnieniu i temperaturze otoczenia. Jednym z głównych osiągnięć Hydril jest zabezpieczenie przed wybuchem na kilku poziomach. Poza produkcją sprzętu aktualne rozwiązania obejmują też łączenie w jednym systemie automatyzacji trzech niezależnych zagadnień dotyczących oprogramowania. Są to:

  • systemy operacyjne o działaniu bezpośrednim (RTOS),
  • wysoka dostępność do baz danych umieszczonych w zagnieżdżonych układach scalonych,   
  • przemysłowe systemy zarządzania danymi w serwerach typu SQL.   

Na platformie wiertniczej potrzebne są bazy danych do archiwizowania informacji, usuwania usterek oraz sporządzania raportów. Układy scalone zagnieżdżone w urządzeniu tworzą dwie oddzielne bazy danych typu McObject’s eXtremeDB o wysokiej niezawodności. Dostęp do nich zapewnia system operacyjny QNX’s Neutrino, który jednocześnie obsługuje regulatory zlokalizowane zarówno na platformie, jak też pod wodą. Taka struktura układu gwarantuje niezawodne działanie umożliwiając dublowanie danych, stanowiących niejako sam dokument oraz jego roboczą kopię.

Zadaniem specjalistów Hydril jest wyprodukowanie niezawodnego i bezpiecznego urządzenia oraz związanego z nim przemysłowego układu regulacji. Wiedzą oni doskonale, że osobami ponoszącymi faktyczne ryzyko są pracownicy firmy wykonującej otwory badawcze. Wierci się je w celu stwierdzenia, czy w określonym miejscu występuje złoże surowca nadające się do eksploatacji. Początkowa faza wiercenia jest tym bardziej istotna, im mniej wiemy o miejscu wykonywania otworu. Wówczas bowiem może wystąpić efekt nieprzyjemnego zaskoczenia. Dla wykonawców wierceń bardzo potrzebna jest świadomość, że korzystają z bezpiecznych urządzeń, które chronią ich przed niespodziewaną erupcją gazu lub ropy z otworu wiertniczego. Stąd w układzie regulacji ciśnienia bezpiecznik przeciwwybuchowy BOP jest urządzeniem o znaczeniu podstawowym. W praktyce jest to duży i ciężki zawór dławiąco-odcinający. Urządzenia produkowane przez Hydril używają bezpieczników BOP o różnych konstrukcjach. Są zaprojektowane tak, aby można je było zamontować na szczycie stosu rur, którego górną częścią jest głowica wiertnicza. Poza szczytową partią stosu znajdują się jeszcze dodatkowe (redundancyjne) zespoły regulacyjne dla BOP. Każdy z zespołów zawiera w dolnej części hydraulikę sterowania bezpiecznikiem, a w części górnej osłonę układu elektrycznego. Ta osłona to rodzaj pojemnika z kopułą, wykonanego z grubej, 3-calowej stali. Chroni ona elementy elektryczne układu przed działaniem ciśnienia otaczającej wody. Zespół steruje cewką elektromagnetyczną uruchamiającą hydrauliczne zawory urządzenia BOP.  

Skomplikowany proces  
W każdym zespole elektronicznie i w sposób ciągły zbierane są informacje pochodzące z całego szeregu czujników.
Obejmują one poniższe dane:

Temperatura i ciśnienie w otworze wiertniczym — na głębokości około 3 000 m jest zimno, lecz energia wiercenia powoduje wzrost temperatury ponad 80°C. Czasami, w szczególnych okolicznościach, przekracza 170°C. Umieszczone w otworze czujniki mają zdolność dokonywania pomiaru temperatury, ale także wysokiego ciśnienia. Przy czym ich czułość pozwala zidentyfikować gwałtowne skoki wartości. Uzyskane w ten sposób informacje umożliwiają przewidywanie i opanowanie potencjalnego zagrożenia.

Pozycjonowanie — cały stos rur powinien stale zachowywać pionowe położenie, jednak warunki otoczenia oraz ruchy platformy lub statku wiertniczego stanowią wyzwanie dla układu regulacji. W tym celu w układzie automatyki wykorzystano giroskop z zespołem optycznym. Giroskop niezmiennie utrzymujeswoje położenie w przestrzeni, zaś związany z nim zespół optyczny wyznacza kierunek pionowy, w stosunku do którego dokonuje się pomiaru odchylenia pokładu platformy wiertniczej. W razie potrzeby uruchamia się dynamiczny układ korygujący położenie urządzenia wiertniczego napędzającego stos.

Poziom cieczy — dla elektroniki słona woda to wróg, dlatego układy chronione są grubym stalowym pancerzem. Czujnik obecności wody wewnątrz pojemnika pozwala na interwencję operatora, który może uchronić zespoły elektroniczne od kontaktu z wodą, zanim dojdzie do jakiegokolwiek uszkodzenia.

Natężenie prądu cewki — działanie stosu jest kontrolowane przez cewki elektromagnesów. Jeśli zespół sterujący wysyła sygnał zadziałania dowolnego spośród wielu elektromagnesów w celu otwarcia lub zamknięcia zaworów BOP, obserwowane jest natężenie prądu cewek. Pozwala to na zweryfikowanie poprawności ich działania.

Ciśnienie dla automatyki — ciśnienie zasilające hydraulikę urządzenia BOP musi być wyższe od ciśnienia otaczającej go wody. Dla utrzymania właściwej pracy urządzenia wiertniczego każdy zespół automatyki zbiera sygnały nawet od 20 przetworników ciśnienia.  

Zasilanie elektryczne — zespół elektrycznego zasilania całego urządzenia znajduje się na pokładzie. Wytwarza energię i filtruje ją, pozbawiając cyklicznych oraz chwilowych zakłóceń. Źródło zasilania wytwarza prąd o napięciu 720 V lub 480 V. Jest on przesyłany do zespołów elektrycznych umieszczonych pod wodą. W transformatorach następuje redukowanie napięcia do wartości potrzebnych odbiornikom energii. Wszystkie wartości napięcia zasilania są monitorowane w sposób ciągły.

Temperatura zespołów układu automatyzacji — elektronika jest mocno podatna na wpływ temperatury, dlatego ten parametr jest stale mierzony w powietrzu znajdującym się w obudowach zespołów elektronicznych, a także w rdzeniu procesora. Dla elektroniki zanurzonej w morzu utrzymanie temperatury pracy w normie nie stanowi problemu. Pomaga w tym stabilna temperatury wody. Jedynym problemem może być zespół elektroniczny, który wydobyty na powierzchnię może zostać nagrzany do temperatury powyżej 60°C.

Dane: gdzie i kiedy
Niezbędne dane muszą znaleźć się we właściwym miejscu i w odpowiednim czasie. Jest to konieczne do uzyskania wysokiej efektywności systemu zarządzania gromadzeniem i przepływem danych. Aktualna informacja i szybki dostęp do niej są najbardziej istotnymi elementami sprawnego działania układu automatyki. W części sprzętowej obejmuje on przede wszystkim stację operatorską na pokładzie platformy. Stacja wyposażona jest w monitory z ekranami dotykowymi oraz interfejs graficzny Photon. Zastosowany system operacyjny to QNX Neutrino (typ RTOS).
Regulatory główne wykorzystują procesor Intel x86 z komunikacją w postaci sprzęgu szeregowego oraz modułów We/Wy cyfrowych i analogowych. Znajdujący się na pokładzie zespół napędowy stosu zawiera regulatory jednopłytkowe w wykonaniu przemysłowym. Niektóre z nich są wyposażone w porty szeregowe oraz przyłącza We/Wy w standardzie ISA. Bazy danych usytuowane są przy każdym regulatorze oraz stacji operatorskiej, gdzie znajduje się serwer archiwizujący (Microsoft SQL). Całość sprzętu połączono siecią transmisyjną, przy czym niektóre regulatory o zasadniczym znaczeniu są dublowane. Dublowanie dotyczy także sygnałów z czujników. Dodatkowe regulatory, poza połączeniami z czujnikami, powiązane są ze stacją operatorską poprzez równolegle działającą drugą siecią transmisyjną. W sumie uzyskano strukturę redundancyjną układu automatyki.

Aby osiągnąć zamierzony skutek, jakim jest sprawność i niezawodność układu automatyki, zastosowano metodę wyodrębniającą trzy strumienie danych. Pierwszy to skierowanie danych od czujników do lokalnej pamięci przy regulatorze. Drugi to przepływ danych z regulatorów do bazy danych serwera archiwizującego. Przy czym szybki dostęp do bazy danych serwera zapewnia programowanie Easysoft, wykorzystujące technikę mostków systemu operacyjnego QNX. Trzeci strumień to dane ze stacji operatorskiej wprowadzane poprzez ekran dotykowy interfejsu operatora i kierowane do regulatorów, które odpowiadają za realizację poleceń. Przykładowo, gdy operator naciśnie przycisk sterowania, jego akcja jest ukazana na ekranie monitora stacji operatorskiej oraz zarejestrowana w pamięci miejscowego regulatora. Równocześnie następuje pobudzenie odpowiedniego, oddalonego regulatora, który spowoduje wykonanie zadanej czynności (na przykład otwarcia określonego zaworu).  

Dobrodziejstwa redundancji
Miejscowe przechowywanie danych przy regulatorze (strumień 1.) zapewnia baza danych w postaci układów scalonych eXtreme DB odmiany HA (szybkiego dostępu). Wprowadzenie trzeciego strumienia danych (i ich rejestracji w lokalnej pamięci) oznacza, że logika funkcjonowania bazy danych i logika działań elementów sprzętu są w sposób naturalny oddzielone. Wymusza to modułowość oprogramowania systemu automatyzacji. Taka konfiguracja przepływu danych pozwala na ułatwioną modernizację obsługiwania systemu w przyszłości. Współdziałanie baz danych jest celowo zorganizowane w taki sposób, aby zapewnić wysoką dostępność danych.
 
Baza przez cały czas zapisuje docierające do niej dane, przechowuje je w pamięci i udostępnia bezpośrednio (bez potrzeby angażowania dysków i portów). Informacje z bazy głównej są natychmiast powielane w bazach każdego regulatora. W ten sam sposób dokonuje się ciągłych aktualizacji. Dzięki temu wszystkie bazy danych mogą jednocześnie obsługiwać odpowiednie elementy sprzętowe układu automatyki. Unika się przez to opóźnień oraz kolizji, które mogłyby wystąpić podczas przesyłania informacji przez sieć transmisyjną z oddalonej bazy danych. Możliwość jednoczesnego aktualizowania baz danych i szybki dostęp do nich wynika nie tylko z możliwości zastosowanego oprogramowania. Jest to też efekt działania drugiej, redundancyjnej sieci łączącej regulatory przeznaczone do dublowania podstawowych funkcji układu automatyki. System zarządzania przepływem danych organizuje bowiem ich ciągłą wymianę poprzez sieć redundancyjną i główną.

Takie rozwiązanie układu automatyki zapewnia najwyższą niezawodność działania urządzenia wiertniczego.  
Rozproszenie baz danych i ich jednoczesna aktualizacja są głównym czynnikiem efektywnego przesyłania informacji w systemie automatyki, zbudowanym z oddalonych interfejsów. Taka konstrukcja pozwala zapisywać i odczytywać wszystkie niezbędne dane do i z każdego węzła urządzenia wiertniczego. Taki mechanizm szybkiego dostępu i bezkolizyjnego przesyłania wyników pomiarów, poleceń czy informacji o stanie elementu lub urządzenia jest też wykorzystywany do natychmiastowej aktualizacji danych dotyczących przebiegu wiercenia. Tworzy to sytuację, w której cokolwiek zdarzy się w pobliżu jednego z regulatorów, natychmiast „wie” o tym cały system. System operacyjny QNX Neutrino pod warstwą informacyjną tworzy sieć wsparcia upraszczając koordynowanie pracy węzłów. Poszczególne urządzenia powiązane siecią nawzajem się „widzą” i mogą wymieniać informacje bez względu na to, w jakiej odległości od siebie są zainstalowane.

Opisane  wyżej ukształtowanie i funkcjonowanie układu automatyki dowodzi skuteczności oprogramowania. W połączeniu z poprawnie działającym układem regulacji ciśnienia podtrzymuje ono ciągłość procesu wiercenia otworów i nie dopuszcza do przestojów. Takie rozwiązanie nie dopuszcza bowiem do utraty milionów USDza każdy dzień przerwy w pracy urządzenia wiertniczego.

Eric Milne jest inżynierem specjalistą w dziedzinie urządzeń elektrycznych i oprogramowania w firmie Hydril.
Artykuł pod redakcją inż. Józefa Czarnula, specjalisty automatyka z wieloletnim doświadczeniem w projektowaniu i uruchamianiu systemów automatyki