РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ СОСУДОВ И АППАРАТОВ

DEVELOPMENT AND RESEARCH OF PARAMETERS OF A SYSTEM FOR REMOTE MONITORING OF PARAMETERS OF VESSELS AND DEVICES

Aleksander Ulyanov

master's student, Department of Machines and Apparatuses for Chemical and Food Production, Orenburg State University,

Russia, Orenburg

Svetlana Vasylevskaya

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Orenburg State University,

Russia, Orenburg

АННОТАЦИЯ

В настоящее время для получения информации о внутрискважинных параметрах и свойствах пласта для измерения дебита скважины используют электронные средства регистрации данных, установленные в скважине. Данные снимают с датчиков, расположенных в скважине и осуществляют их передачу по отдельному электрическому каналу, например, по кабелю питания электроцентробежного насоса (ЭЦН) и/или геофизическому кабелю в устройство приема и обработки информации. Параметры жидкости (уровень, температура, объем и пр.) измеряются многофункциональными уровнемерами.

ABSTRACT

Currently, to obtain information about downhole parameters and formation properties to measure well production, electronic data recording tools installed in the well are used. Data is collected from sensors located in the well and transmitted via a separate electrical channel, for example, via the power cable of an electric centrifugal pump (ESP) and/or geophysical cable B to a device for receiving and processing information. Liquid parameters (level, temperature, volume, ect.) are measured by multifunctional level gauges.

Ключевые слова: датчики, кабель питания, геофизический кабель, прием и обработка информации, уравномеры.

Keywords: sensors, power cable, geophysical cable, information reception and processing, level meters.

В настоящее время подавляющее большинство промышленных уровнемеров относятся к проводным измерителям от верхней крышки резервуара. Несмотря на заявляемые метрологические параметры (ошибка измерения уровня ±0,1 - ±1мм), реальная погрешность измерения уровня такими уровнемерами может оказаться существенно больше, и что особенно плохо - она неконтролируема. Крыша резервуара, к которой в большинстве случаев крепится уровнемер, подвержена механическим деформациям в процессе эксплуатации, периодическим деформациям при изменении температуры, деформациям вследствие избы точного или недостаточного давления внутри резервуара. Все это изменяет расстояние уровнемера относительно поверхности жидкости и угол его установки, что может приводить к дополнительным погрешностям. Недостатки проводных уровнемеров связаны с возможностью воздействия на оборудование уровнемера высоких наведенных напряжений в проводных линиях и опасности механического повреждения проводных линий в силу различных причин. Беспроводные поплавковые уровнемеры сегодня начинают занимать лидирующие позиции. Преимущества беспроводных технологий проявляются уже на этапе проектирования, поскольку не требуется согласование, разработка и прокладка проводных линий, что особенно важно для пожаро- и взрывоопасных объектов.

Рисунок 1. Структурная схема системы сбора информации от автономных беспроводных уровномеров

Уровнемеры периодически передают измеренную информацию на пункт сбора данных, где полученная информация используется для решения различных задач АСУ ТП.

Для приведенного варианта сети не требуется часто передавать информацию от уровнемеров на пункт сбора данных, так как регистрируемые процессы (уровень, температура) не могут изменяться быстро (за исключением режимов заполнения или опорожнения резервуара, но и при этом изменение не превышает доли процентов в минуту). Для обеспечения оперативного разворачивания сети целесообразно использовать радиочастотные ресурсы нелицензируемых диапазонов частот. Эти радиочастоты могут использоваться без оформления специального разрешения Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) и совершенно бесплатно при условии соблюдения требований по ширине полосы, излучаемой мощности и назначению радиопередающего изделия. Однако необходимо, чтобы технические параметры радиопередающих устройств отвечали требованиям, утвержденным решениями ГКРЧ, за что отвечает производитель устройств, подтверждая соответствие их параметров установленным нормам. В таблице используются термины "неспециализированное устройство" и "устройство малого радиуса действия". Устройство малого радиуса действия — это техническое средство, предназначенное для передачи и (или) приёма радиоволн на короткие расстояния. Данные устройства используются при условии, что они не создают помех другим радиоэлектронным средствам (РЭС) и не требует защиты от помех со стороны других РЭС.

К неспециализированным (любого назначения) устройствам относят устройства малого радиуса общего применения, включая устройства дистанционного управления и передачи телеметрии, телеуправления, сигнализации, передачи данных и других подобных передач.

Критериями выбора частотного диапазона являются:

1. Дальность связи;

2. Ослабление радиосигнала при распространении и характер поглощения в разных средах;

3. Помеховая обстановка;

4. Габариты изделий и параметры антенны;

5. Сложность программного обеспечения;

6. Стоимость и доступность компонентов;

7. Параметры энергопотребления.

После предварительного анализа таблицы были отброшены диапазоны 27 и 40 МГц из-за большой длины волны (11,11 и 7,5 м соответственно), что не позволяет применять малогабаритные антенны (в большинстве случаев для обеспечения круговой диаграммы направленности применяют четвертьволновые штыревые антенны, длина которых будет составлять 2,77 и 1,87 м соответственно). Как следует из нормативных актов, явным образом дальность действия систем связи не ограничивается. Отсюда следует, что применение направленных антенн и ретрансляторов позволяет создавать сети произвольной протяженности. Кроме того, в России на поддиапазонах 433,075-434,79 МГц и 868,7-869,2 МГц (в отличие от европейских стандартов) нет ограничений на скважность повторения импульсов. Это означает, что теоретически радиомодемы в этих диапазонах частот могут работать с более высокой скоростью, чем в Европе, тем самым уменьшая энергопотребление. К сожалению, не всегда удается учесть ограничение скважности в радиомодеме. Однако производитель может фиксировать режим работы приемопередатчика. Следующим важным этапом при выборе будет анализ помеховой обстановки и условий распространения радиоволн между уровнемерами и пунктом сбора данных. Известно, что с увеличением частоты снижается уровень природных и промышленных помех, но уменьшается и способность радио волн огибать препятствия.

Диапазоны 433 и 868 МГц хорошо зарекомендовали в условиях сложной городской застройки, лучше распространяются в замкнутых пространствах, таких как тоннели метро, колодцы, городские улицы и т. д., чем радиоволны диапазона 2,4 ГГц. С одной стороны радиоволны низкочастотных диапазонов хорошо проникают сквозь бетонные конструкции, с другой стороны не так сильно рассеиваются, проходя через кирпичную кладку, как 2400 и 5500 МГц. Частота 868 МГц имеет преимущества в дальности и скорости обмена информации для стационарных сетей. Небольшая длина волны (35 см) позволяет использовать компактные направленные и ненаправленные антенны.

Работа в частотном диапазоне 868 МГц обладает преимуществом по сравнению с работой в СВЧ диапазоне в связи с увеличением интенсивности затухания радиоволн от частоты (увеличение частоты в два раза приводит к двойному сокращению дальности связи). В диапазоне 868 МГц дальность уверенной связи в несколько раз больше, чем в диапазоне 2,4 ГГц, при одинаковой мощности излучения. Кроме того, устройства, работающие в диапазоне 868 МГц, обладают достаточно хорошей устойчивостью к огибанию преград на пути распространения радиоволн, таких как погодные осадки, перепады рельефа местности, деревья и др. В диапазоне 2,4 ГГц работает большое количество потребительской электроники - Wi-Fi роутеры и компьютеры, телефоны с Bluetooth и микроволновые печи. Особенностью данных источников помех является то, что они могут работать продолжительное время. Диапазон 433 МГц в крупных населенных пунктах загружен многочисленными устройствами охранной сигнализации, однако все эти устройства включаются, как правило, лишь на короткое время (рабочий цикл 1% и меньше), поэтому их влияние можно скомпенсировать оптимизацией алгоритма пакетной связи с контролем доставки и повторной передачей. Небольшой уровень помех в большинстве населенных пунктов приходится на диапазон 868 МГц. С точки зрения энергопотребления при одинаковой мощности, подводимой к антенне, наиболее экономичными в настоящее время являются радиопередатчики низкочастотных диапазонов 433 и 868 МГц. Среди недостатков можно отметить невысокую скорость передачи информации и небольшое число каналов связи (69 каналов с шагом 12,5 кГц для 433 МГц).

Измерительная часть уровнемера передает частотно манипулированные колебания в радиомодем по протоколу обмена "Modbus RTU". Радиомодем большую часть времени работает в экономичном режиме пониженного энергопотребления и кратковременно подает в антенну кодированный (уровень, температура, напряжение источника питания) радиоимпульсный сигнал в диапазоне частот 433 МГц.

Выходной мощности радиомодема (10 мВт) достаточно для надежной передачи в свободном пространстве на расстояние до 1,5 км без применения громоздких и сложных направленных антенн. Скорость передачи данных по каналу связи составляет 2400 бит/с. Используемые параметры радиомодема позволяют организовывать до 16 уровнемеров в сети сбора данных. При большем числе резервуаров с жидкостью, или при необходимости увеличения числа уровнемеров для резервирования, организуется несколько сетей сбора данных.

Каждая сеть имеет свой индивидуальный код распознавания, так что исключаются взаимные помехи и ложные приемы пакетов "чужой" сети. Перспективность разработанной системы дистанционного контроля параметров жидкости в резервуарах определяется ее надежностью, многофункциональностью, простотой обеспечения взрывозащищенности и возможностью оперативного развертывания как на вновь вводимых в эксплуатацию, так и на уже эксплуатируемых объектах без каких-либо изменений и доработках в коммуникациях.

Рисунок 2. Внешний вид экрана диспетчера по обслуживанию сети из десяти резервуаров с дизельным топливом и сети из двух резервуарах с водой

Список литературы:

1. Александров. И.А. Перегонка и ректификация в непереработке. / И.А. Александров. – М. : Химия.1981. - 351 с.
2. Ахметов. С.А. Глубокая переработка нефти и газа. / С.А. Ахметов. - Уфа: Изд-во УГНТУ. 1996.- 405 с.
3. Ахметов. С.А. Технология глубокой переработки нефти и газа :Учебное пособие для вузов. / С.А. Ахметов. – Уфа: Гилем. 2002. – 672 с.
4. Ахметшина. М.Н. Усовершенствование работы реконструированной комбинированной установки. / М.Н. Ахметшина. Е.А. Бугай. В.М. Гермаш.// Нефтепереработка и нефтехимия. – 1978. №3. – с. 1-3.
5. Багиров. И.Т. Современные установки первичной переработки нефти. / И.Т. Багиров – М. : Химия. 1974. - 240 с.