CC BY
95
УДК 621.398+004.32.+656.56+527:629.78
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА И КОНТРОЛЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЛОБАЛЬНОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ «ГЛОНАСС/GPS»
INTELLIGENT SYSTEM FOR MONITORING AND CONTROL OFPIPELINES USING A GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM «GLONASS / GPS»
© Н.Т. Сулейманов,
доктор технических наук, профессор Башкирского государственного университета, руководитель технопарка «БашГУ-ГЛОНАСС»
Предложены принципиально новые способы и устройства контроля и диагностики НДС конструкции трубопроводов с использованием глобальной навигационной спутниковой системы «ГЛОНАСС/GPS» для обеспечения надежности и безопасности транспортировки энергоносителей.
Ключевые слова: интеллектуальная система, мониторинг, контроль, магистральные трубопроводы, навигационная спутниковая система, ГЛОНАСС, GPS, лазерная волоконно-оптическая система
© N.T. Suleymanov
In this article, the author offers a fundamentally new methods andmonitoring devices and diagnostics pipeline design of VAT withglobal satellite navigation system «GLONASS / GPS» for reliability and security of energy transportation.
Key words: intelligent system, monitoring, control, pipelines, navigation satellite system, GLONASS, GPS, laser fiber-optic system
Мониторинг технического состояния трубопроводов в период эксплуатации представляет собой комплекс теоретических и экспериментальных исследований, основными задачами которых являются сбор и анализ данных фактического состояния металла труб и учет взаимодействия трубопроводов с внешней средой. Существующие в России и за рубежом средства мониторинга не обеспечивают комплексности наблюдения, а решают только ограниченный круг задач. Так, «интеллектуальные вставки», представляющие собой отрезок трубы с тензодат-чиками, позволяют получать информацию о состоянии трубопровода только в одном (заданном проектом) его сечении, но не на всем протяжении оползневого участка и не постоянно (в реальном масштабе времени), а только лишь в моменты проведения измерений. Для обеспечения долговременной безаварийной работы магистральных газо-нефтепроводов, проходящих на участках с активной геодинамикой - зонах неустойчивого грунта, вечной мерзлоты, оползней, болот, дна рек и морей и т.д., необходим постоянный
мониторинг напряженно-деформированного состояния (НДС) трубопровода. Геодинамические и технологические факторы вызывают сложный комплекс механизмов деформации трубопровода.
Способ дистанционного контроля и диагностики напряженно-деформированного состояния конструкции трубопроводов и устройство для его осуществления с использованием ГЛОНАСС/СР8. Предлагаем и реализовали способ дистанционного контроля и диагностики состояния трубопровода, заключающийся в том, что на центральном пункте контроля через линию связи производят регистрацию сигналов с рабочих станций, размещенных в местах диагностирования вдоль трассы, и выполняют обработку полученной информации. При этом связь между центральным пунктом контроля и каждой рабочей станцией осуществляют посредством модемов 08М-связи, по индивидуальным номерам которых идентифицируют конкретную рабочую станцию. С каждой рабочей станцией производят замеры параметров, характеризующих напряженно-деформированное состояние металла
ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ/
/ 2012, том 17, № 2IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIllllllllllllllQ
Н.Т. Сулейманов /м/м//////////^^^^
трубопровода, геофизические свойства горных пород, слагающих оползневый массив, и кинематику оползневого процесса, а обработку полученной информации производят путем проведения множественного корреляционного анализа, по результатам которого судят о НДС трубопровода и о вероятности возникновения оползневого процесса или о ходе его развития. [1;7]
В качестве параметра, характеризующего НДС металла трубопровода, может измеряться уровень шумов Баркгаузена.
Канал измерения кинематических параметров оползневого процесса выполнен в виде измерителя перемещения грунта относительно трубопровода.
На рисунках 1 и 2 представлена структурная схема устройства, реализующего способ дистанционного контроля состояния трубопровода и оползневого массива, которое состоит из центрального пункта контроля (рис.1) и рабочих станций, включающих в себя блоки измерений (рис.2).
ния металла трубопровода с датчиками 101...10п на входе, канал 11 измерения геофизических характеристик горных пород, слагающих оползневый массив, с датчиками 1/г. .1/т на входе, канал 12 измерения кинематических параметров оползневого процесса с датчиками 121...12к на входе, при этом число датчиков определяется протяженностью диагностируемого участка трубопровода.
Выходы каналов 10, 11, 12 подключены к входам коммутатора 7, управляемого микроконтроллером 9, выход коммутатора 7 соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 6, входы-выходы которого подключены к первым входам-выходам микроконтроллера 9, вторые входы-выходы которого соединены с входами-выходами модема 5 в8М-связи, управляющие выходы микроконтроллера 9 подключены к входам управления каналов 10, 11, 12 измерения системой ГЛОНАСС/вР8 [2].
В данном случае в качестве геофизической характеристики горных пород, слагающих оползневый массив, измеряются кажущиеся удельные электрические сопротивления.
Рис. 1. Структурная схема центрального пункта управления
Центральный пункт контроля содержит персональный компьютер 1 с подключенным к нему принтером 2, узел 3 приема-передачи информации, выполненный на основе модема GSM-связи, питаемого блоком питания 4, и связанный с ПК 1 [3;4]
Блоки измерения рабочих станций содержат узел 5 приема-передачи информации с линией радиосвязи, выполненный на основе модема GSM- связи, аналого-цифровой преобразователь 6, коммутатор 7, автономный источник питания 8, микроконтроллер 9, канал 10 измерения параметров напряженно-деформированного состоя-
Рис. 2. Структурная схема рабочей станции
Лазерная волоконно-оптическая система для определения пространственного положения магистральных трубопроводов с использованием ГЛОНАСС/ GPS. При определении пространственного по-
ше системы мониторинга и контроле
ложения магистральных трубопроводов наиболее широко используют устройства на основе трех степенных позиционных гироскопов. Пространственное положение трубопроводов определяется путем измерения абсолютных значений координат в точках аппроксимаций, что приводит к необходимости применения сложных гироскопических систем, которые содержат гирокомпасы и гировертикаль для определения зенитного угла и азимута. Следующая система гироскопического устройства для определения пространственного положения трубопроводов представляет собой сложную систему автоматического управления с передаточной функцией третьего порядка, имеющую в своем составе несколько интегрирующих звеньев. В связи с этим гироскопическая система сама по себе является неустойчивой и для обеспечения ее нормальной работы имеется дополнительная обратная связь, включающая в себя тахогенератор, двигатель, редукторы. Все это приводит к резкому увеличению зоны нечувствительности, к увеличению постоянной единицы времени, увеличению зоны чувствительности, к уменьшению точности и низкой надежности. Указанных недостатков лишена описываемая ниже лазерная волоконно-оптическая система с использованием гиросисте-мы для фиксации лазера как источника направленного света [5;6].
В данном устройстве для определения зенитного угла и азимута используется источник направленного излучения (лазер), жестко связанный с гиросистемой и системой ГЛОНАСС/ GPS для определения положения систем в магистральном трубопроводе, а приемная головка оптического излучения выполнена в виде фо-конной матрицы, к выходу которой прилагается светочувствительная лента.
'Q В
ч
На рисунке 3 представлена структурная схема предлагаемого устройства. Система содержит герметичный контейнер 1, внутри которого размещены гирокомпас и гировертикаль 2, луч которого падает на входной торец фоконной матрицы 4, к выходному торцу которой прилагается светочувствительная лента 5, выходящая из контейнера 6 и наматывающаяся на вал контейнера 7, который связан с шаговым двигателем 8. Все устройство помещается в трубопровод 9. Работой шагового двигателя 8 и источника направленного света 3 управляет реле времени 10.
Волоконно-оптическая приемная головка выполнена в виде полой сферы, по радиусу которой установлены конические световоды 2, вершины которых направлены к центру полой сферы (см. рис. 4).
2
О о
Рис. 4. Внешний вид приемной головки с фоконной матрицей
Применение конических световодов позволяет концентрировать излучение, величина концентрации определяется по формуле:
Ц = v2,
_ »2
Рис. 3. Структурная схема гироскопического устрой-
где V — ~ - линейное увеличение фокоиа;
Б1, Б2 - диаметры входных и выходных торцов соответственно. Светопропускание фокона зависит от поглощающих свойств материала, от потерь при внутренних отражениях, Френелев-ских потерь. Приемное устройство представляет собой полусферу радиуса Я, в теле которого вставлено N фоконов (рис. 3). Из рисунка 5 ясно, что они должны быть разнесены на угловое расстояние Е// ф, что обеспечивает выделение определенного телесного угла в пространстве. Расчет размещения фоконов произведен по рисунку 6.
2
ства
ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ
/ 2012, том 17, № 2IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIПНННППННШ
Н.Т. Сулейманов /////////Ш////////////т
U
2рф
U-
3рф
Рис. 5. Приемное устройство
Рис. 6. Размещение фоконов
Автоматизированный мониторинг и управление задвижками трубопроводов в режимах ГЛОНАСС/GPS. Системам мониторинга предусматривает контроль состояния запорной арматуры (задвижки), датчиков давления газа в трубопроводе, датчиков температуры в трубопроводе и иных датчиков через систему спутников Российской группировки ГЛОНАСС из диспетчерского центра.
Датчики устанавливаются на трубопроводе до и после запорной арматуры и подключаются к соответствующим входам контроллера интерфейсом CAN, RS 485 в зависимости от типа
датчиков или к аналоговым входам контроллера физической цепью.
Контроллер (он же и исполнительное устройство) принимает информацию и через спутниковую систему связи и передает ее на сервер диспетчерского центра, где она обрабатывается соответствующей программой и передается на рабочие места операторов или диспетчеров. Операторы анализируют показания датчиков и при необходимости принимают соответствующее решение. Команды управления обрабатываются на сервере и через спутниковую связь передаются на контроллер. Контроллер принимает
Рис. 7. Система мониторинга и управления задвижек в системе ГЛОНАСС
S
X
B
ные системы мониторинга и контролщ
Рис. 8. Комплекс диспетчерского управления
команды и выполняет их, управляя запорной арматурой, используя электро- или струйные приводы. Информация о выполнении команды через обратную связь передается на диспетчерский центр, и оператор отслеживает выполнение набранных команд.
Контроллер, при соответствующем его программировании, в случае аварийной ситуации способен перекрыть трубопровод и подать аварийный сигнал на диспетчерский центр, где оператор подтверждает или отменяет его команду (рис. 7).
Основной функцией диспетчерского центра является контроль за состоянием задвижек, проверка показаний датчиков и управление системой мониторинга и управления магистрального трубопровода, в него входят: оборудование связи с контрольными пунктами через систему ГЛОНАСС, сервер, рабочее место оператора (диспетчера), программное обеспечение.
Сервер обеспечивает сбор информации от задвижек и датчиков контрольных пунктов, их обработку, хранение и выдачу результатов на рабочие места операторов. Рабочие места предназначены для контроля операторами за состоянием магистрального трубопровода в реальном масштабе времени и управления запорной арматурой. В качестве рабочих мест используют КП необходимой конфигурации.
С объекта автоматизации диспетчеру поступает информация о технологических параметрах (давление, температура, расход), охранной сигнализации и наличии сетевого напряжения. Диспетчер может осуществлять дистанционное управление исполнительными механизмами, а также откорректировать установки работы технологического оборудования. При отключении объекта диспетчеру поступает сигнал об отключении, с расшифровкой его причины.
Отличительной особенностью данного комплекса является совместное использование различного коммуникационного оборудования передачи данных. Это радиомодем с диапазоном частот 146-174МГц, терминал ТМ4-2 (ГЛОНАСС) и модем INMARSAT (рис. 8).
Диапазон 146-174 МГц, на котором работает радиостанция, обладает рядом особенностей, которые нужно учитывать для успешного ведения радиосвязи. Величины дальности связи являются ориентировочными, т.к. на дальность связи влияют не только объективные факторы распространения радиоволн (состояние атмосферы, рельеф местности), но и множество субъективных, например, наличие радиопомех в точке приема, высота подвеса и выбор антенны и др.
Применение терминала ТМ4-2 в шкафу телемеханики позволяет не только надежно пере-
ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ
/ 2012, том 17, № 2IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIПНННППННВЗ
Н.Т. Сулейманов ///////////////////ММ
Рис. 9. Шкаф телемеханики
давать данные через сотовую связь GPRS, но и определять местоположение объекта автоматизации с привязкой к географической карте по сигналам спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС (рис. 9).
Возможность передачи данных через спутниковые системы связи INMARSAT позволяет вести непрерывный контроль за объектами авто-
ЛИТЕ РАТУРА
1. Сулейманов Н.Т. Концепция Республиканской целевой программы «Использование результатов космической деятельности в интересах социально-экономического развития Республики Башкортостан» // Вестник Академии наук РБ. Т. 16, № 4. 2011. С. 43-49
2. Сулейманов Н.Т. Автоматизированный мониторинг и управление задвижками трубопроводов в режимах ГЛОНАСС/ОРБ // Материалы форума проблемы и методы обеспечения безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Пленарный доклад. Уфа, 2010.
3. Сулейманов Н.Т., Гарифуллин Н.М. Интеллектуальная система дистанционного контроля напряженно-деформированного состояния трубопровода на основе эффекта Баркгаузена с использованием навигационной системы ГЛОНАСС/ОРБ// Нефтегазовый форум «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа». Пленарный доклад. Уфа, 2011
матизации в условиях труднодоступной местности и при отсутствии сотовых операторов.
Достоинством комплекса является наличие встроенного резервного источника питания, который при отсутствии электропитания позволяет поддерживать работоспособность системы от внешнего источника в течение 3-4 ч.
4. Сулейманов Н.Т., Гарифуллин Н.М., Максимочкин В.И., Королев В.А. Устройство дистанционного контроля и диагностики напряженно-деформированного состояния конструкции трубопроводов: пат. на полезную модель № 111609 от 07.07.2011.
5. Сулейманов Н.Т., Нугаев И.Ф. Устройство для определения пространственного положения магистральных трубопроводов // БашГУ: А.с. № 1404815 СССР, Б.И. № 23, 1998.
6. Сулейманов Н.Т. Лазерная волоконно-оптическая система для определения пространственного положения магистральных трубопроводов // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. VII Конгресс нефтегазопро-мышленности России. Уфа, 2007.
7. Сулейманов Н.Т., Гарифуллин Н.М., Максимочкин В.И., Королев В.А. Способ дистанционного контроля и диагностики напряженно-деформированного состояния конструкции трубопроводов и устройство для его осуществления: заявл. на изобретение 07.07.2011, № 041144, регистрационный № 2011127756.
ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ
' 2012, том 17, № 2
РБ
20
