CC BY
14
УДК 622.692.4.053
https://doi.org/10.24412/0131-4270-2022-5-6-5-10
РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО СТЕНДА КАМЕРЫ ПУСКА-ПРИЕМА СРЕДСТВ ОЧИСТКИ И ДИАГНОСТИКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ_
THE DEVELOPMENT OF AUTOMATED SCRAPER LAUNCHER-RECEIVER KICKING SYSTEM EXHIBITION STAND
Хасанов И.И., Харисов Р.М., Шакиров Р.А., Махъянов Р.Р.
Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450062, г. Уфа, Россия
ORCID: http://orcid.org/0000-0002-3422-1237, E-mail: ilnur.mt@mail.ru E-mail: kharisov.rustam@mail.ru
ORCID: http://orcid.org/0000-0002-7017-081X, E-mail: rshakirov.02@gmail.com E-mail: faust.rm00@gmail.com
Резюме: В статье рассмотрена разработка системы автоматизации стенда по запасовке внутритрубных инспекционных приборов в камеру пуска-приема средств очистки и диагностики (КПП СОД). Усовершенствованная конструкция КПП СОД предполагает отказ от запасовочного устройства и использование гидравлической системы. Авторы приводят описание составных элементов автоматизации и критерии их выбора для опытной демонстрации работоспособности стенда. Приводится алгоритм работы программной части - логического контроллера Arduino Uno R3. Опытные испытания стенда показали его полную работоспособность и эффективность ключевого технологического решения.
Ключевые слова: магистральный нефтепровод, камера пуска-приема средств очистки и диагностирования, автоматизация, запасовочное устройство, гидравлическая система.
Для цитирования: Хасанов И.И., Харисов Р.М., Шакиров Р.А., Махъянов Р.Р. Разработка автоматизированного стенда камеры пуска-приема средств очистки и диагностики с использованием гидравлической системы // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2022. № 5-6. С. 5-10.
D0I:10.24412/0131-4270-2022-5-6-5-10
Khasanov Ilnur I., Kharisov Rustam M., Shakirov Ruslan A., Makhyanov Ramil R.
Ufa State Petroleum Technological University, 450062, Ufa, Russia
ORCID: http://orcid.org/0000-0002-3422-1237, E-mail: ilnur.mt@mail.ru E-mail: kharisov.rustam@mail.ru
ORCID: http://orcid.org/0000-0002-7017-081X, E-mail: rshakirov.02@gmail.com E-mail: faust.rm00@gmail.com
Abstract: In the article the system of pipeline diagnostic equipment kicking into scraper launcher-receiver is considered. It is suggested that the modernized scraper launcher-receiver system could be operated without kicking system, driven by hydraulic power. The authors characterize the main components of automatization system and their selection criteria for the exhibition stand experiment demonstration. The algorithm of Arduino Uno R3 logic controller program part Arduino Uno R3 is also described in the article. Experiments have shown total operating capacity of the stand and the efficiency of its prime engineering decision.
Keywords: major pipeline, scraper launcher-receiver, automatization, kicking system, hydraulic system.
For citation: Khasanov I.I., Kharisov R.M., Shakirov R.A., Makhyanov R.R. THE DEVELOPMENT OF AUTOMATED SCRAPER LAUNCHER-RECEIVER KICKING SYSTEM EXHIBITION STAND. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons, 2022, no. 5-6, pp. 5-10.
DOI:10.24412/0131-4270-2022-5-6-5-10
Длительный опыт эксплуатации магистральных нефтепроводов показал, что в процессе их эксплуатации происходят структурные изменения в металле труб, находящихся под статической и динамической нагрузкой, что приводит к снижению прочностных характеристик и структурно искаженным неоднородностям [1]. Известно, что до конца 1990-х годов главным методом контроля и оценки состояния трубопровода были предпусковые гидравлические испытания повышенным давлением. Однако подобные испытания не позволяли выявить все дефекты, допущенные как в заводских условиях, так и при выполнении строительно-монтажных работ. Подобные дефекты, не оказывающие влияния на проведение гидравлических испытаний, развивались в ходе эксплуатации и становились причиной возникновения аварийных ситуаций задолго до окончания нормативного срока службы нефтепровода. Это приводило к серьезным экономическим потерям как компании-оператора нефтепроводов, так и конечных получателей нефти - региональных нефтеперерабатывающих заводов, а также стран -импортеров российской нефти.
С начала 2000-х годов внутритрубная диагностика является одним из наиболее эффективных методов оценки состояния магистральных и промысловых нефтепроводов [2]. Информация, получаемая в процессе пропуска вну-тритрубных инспекционных приборов, позволяет с достаточной степенью определить наличие аварийных участков и необходимость проведения ремонта, а также, как следствие, сформировать план проведения ремонтных работ на ближайший период [3]. К диагностическим устройствам относятся такие внутритрубные инспекционные приборы (ВИП), как скребки-калибры, профилемеры, ультразвуковые, магнитные и комбинированные дефектоскопы. Для выполнения диагностических работ каждый участок нефтепровода должен быть оборудован камерами пуска и приема средств очистки и диагностики (КПП СОД), предназначенными для запасовки ВИП в трубопровод в начале его движения, а также для остановки ВИП в конце обследуемого участка и его выемки.
Одним из элементов камеры пуска и приема является запасовочное устройство - приспособление,
P0PP
5
предназначенное для затягивания тросом многосекционных приборов в камеру запуска при помощи лебедки или подъемного крана. При традиционной схеме подготовки КПП СОД к запуску ВИП (рис. 1) запасовка диагностического снаряда осуществляется путем пропуска внутрь камеры троса через ролик запасовочного устройства с дальнейшим цеплением троса длинным крючком через открытый затвор камеры и вытаскиванием наружу до головы прибора. Затем трос должен быть пропущен через проушину на бампере прибора и протянут обратно через запасовочное устройство, после чего два конца троса соединяются хомутом, петля троса закрепляется на крюке подъемного крана. Данные действия являются достаточными для начала втягивания прибора в камеру пуска до момента, когда первая манжета войдет в часть камеры с номинальным диаметром. В этом случае запасовка устройства считается выполненной: один конец троса следует освободить, сняв хомут, и извлечь трос из камеры, потянув другой его конец тяговым устройством, затем снять запасовочное устройство и установить на фланец запа-совочного патрубка штатную заглушку [4]. Все вышеуказанные действия выполняются также при запуске очистных скребков.
В исследовании [5] авторами выделяется основной недостаток данного способа, который заключается в необходимости применения трособлочных систем, что требует мобилизации дополнительного персонала на выполнение работ по подсоединению (отсоединению) троса. По мере эксплуатации снижение износостойкости троса и деформация относительно первоначальной формы приводят к увеличению времени на проведение запасовочных работ. Авторами была разработана гидроприводная система, которая с помощью гидрораспределителя будет приводить телескопический гидроцилиндр в движение, тем самым осуществляя запасовку очистного скребка в КПП СОД (рис. 2).
При запасовке диагностического и очистного снаряда насос объемного типа с электродвигателем через всасывающий фильтр всасывает рабочую жидкость (масло из бака гидропривода - резервуара для рабочей жидкости) и попадает в гидрораспределитель с электрическим управлением от двух толкающих электромагнитов, а затем попадает в систему силовых гидроцилиндров, что приводит его в движение. В гидрораспределителе установлен предохранительный клапан с манометром, который в случае превышения допустимого давления в гидросистеме откроет возможность частичного или полного перепускания масла в бак под максимальным давлением через сливной фильтр.
Для наглядной демонстрации технологической идеи как продолжение работы [5] авторами статьи была поставлена задача создания стенда запасовочного устройства, а также системы автоматизации, позволяющей дистанционно управлять работой макета.
Модель запасовочного устройства (фото 1) была напечатана на 3D-принтере с использованием пластика PLASTIQPLA (толщина нити 1,75 мм, плотность материала 1,24 г/см3). Имитация гидроцилиндра выполнена из двух пластиковых трубок, на внешней трубке сделана прорезь
■ Рис. 1. Традиционная схема запасовки внутритрубного инспекционного прибора
для возможности замыкания концевых выключателей и для исключения проворачивания внутренней трубки. Вращение штока позволяет выдвигаться или задвигаться ступени цилиндра. Движение штока, который приводит в движение ступени цилиндра, осуществляется за счет работы щеточного мотора и зубчатых ремней. Для предотвращения сильных вибраций, осевого смещения и сокращения динамической нагрузки при пуске и реверсе мотора установлена эластичная муфта, выполненная в виде резиновой трубки.
Автоматизация стенда обеспечивается за счет программируемого логического контроллера (ПЛК). Аппаратный комплекс ПЛК конструктивно выполняется в виде единого модуля, содержащего плату микропроцессорной системы с возможностью расширения через разъемы локальной шины и/или сетевого интерфейса.
При выборе ПЛК авторы использовали принцип удобства среды разработки и успешного применения контроллера в ранее разработанных моделях. На основании проведенного обзора исследований по разработке моделирующих стендов и интеллектуальных систем в работе
Рис. 2. Схематическое изображение гидропривода с телескопическим гидроцилиндром [5]: 1 -маслобак; 2 - всасывающий фильтр; 3 - насос; 4 - электродвигатель; 5 - манометр; 6 -предохранительный клапан; 7 - электромагниты; 8 - силовые гидроцилиндры; 9, 10 - фильтры; 11 уровнемер инспекционного прибора
11. Автоматизированный стенд запасовочного устройства КПП | 2. Внешний вид ПЛК АШпоШо СОД
I Рис. 3. Подключение ультразвукового дальномера HC-SR04
I Рис. 4. Схема подключения токового датчика ACS712
Рис. 5. Подключение мотора через двухканальный модуль реле
был использован ПЛК Arduino Uno R3 - устройство на базе микроконтроллера Atmega 16U2 (фото 2). Многофункциональность ПЛК подтверждается большим диапазоном отраслей жизнедеятельности, в котором возможно его применение [6-8]. Программирование ведется в среде разработки Arduino IDE.
ПЛК имеет 14 цифровых входов/ выходов, 6 из которых могут использоваться в качестве ШИМ-выходов, а также 6 аналоговых входов (А0-А5), каждый из которых может представить аналоговое напряжение в виде 10-битного числа, что будет применяться для запуска выдвигания ступени цилиндра [9].
В качестве источника постоянного тока для работы платы используется стандартный блок питания на 12 В и стабилизатор напряжения КР1180ЕН8А на 8 В.
Для исключения большого числа кнопок и переключателей было реализовано дистанционное управление с использованием ИК-приемника и пульта. ИК-приемник вмонтирован сбоку металлического корпуса и подключается к микроконтроллеру Arduino тремя контактами.
Работа датчика расстояния, обеспечивающего прекращение выдвижения ступени цилиндра по достижении заданной длины, в системе стенда выполняется ультразвуковым дальномером HC-SR04. Способность ультразвукового датчика определять расстояние до объекта основана на принципе сонара: наличие объектов и расстояние до них определяется промежутком времени между отправкой ультразвукового сигнала устройством и его получением. Датчик расстояния обеспечивает высокоточное измерение и имеет диапазон дальности измерения от 2 до 400 см, в то же время точность измерений зависит от множества внешних факторов, среди которых отмечаются температура окружающей среды, траектория распространения сигнала, угол падения волны [10]. Подключение и работа датчика расстояния осуществляется путем присоединения пинов Trig (прием ультразвукового импульса, требуется поддержка ШИМ-сигнала) и Echo (возврат импульса) на цифровые пины (рис. 3).
Рис. 6. Схема подключения дисплея LCD 1602 через протокол 2C
I Рис. 7. Алгоритм работы стенда
Работа стенда предполагает наличие защиты по силе тока на моторе штока, что в реальности требуется ввиду наличия шероховатостей, неровностей и инородных предметов внутри камеры пуска. Срабатывание токовой ПАЗ приведет к включению световой и шумовой сигнализации, а запасовка скребка заблокируется до отключения и устранения аварии. В модуле используется датчик тока ACS712, способный измерять как постоянный, так и переменный ток с частотой до 80 кГц, внутреннее сопротивление шунта составляет 1,2 мОм. Для измерения тока датчик подключается в разрыв цепи между источником питания и нагрузкой (рис. 4). В качестве нагрузки выступает обычный щеточный мотор, рассчитанный на напряжение питания в зависимости от модели. Электрическая цепь нагрузки является независимой от питания токового датчика, поэтому напряжение мотора может достигать высоких значений.
В качестве реле для ПЛК используется модель HL-52S, включающая в себя модуль реле с общей землей (GND) и питанием (5V), что объясняется необходимостью вращения мотора в разные стороны (рис. 5). Электрическая цепь со всеми комплектующими устанавливается внутри металлического корпуса.
Особенностью выбранного модуля реле является гальваническая развязка через оптрон, тем самым обеспечивается защита микроконтроллера от возможного поражения возросшим током при коротком замыкании цепи нагрузки.
Версия ПЛК Arduino Uno R3 включает собственные линии данных SDA (Serial Data) и линии синхронизации SCL (Serial Clock). Они представляют собой две двунаправленные линии связи для передачи данных по протоколу I2C, через который будет осуществляться передача информации на ЖК-дисплей LCD 1602 (рис. 6). Выбор дисплея обоснован встроенной поддержкой протокола I2C.
I2C представляет собой последовательный несимметричный протокол, позволяющий разделять схемные ресурсы между несколькими ведущими и ведомыми устройствами, подключенными к одной и той же шине [11]. Среди преимуществ протокола I2C можно выделить следующие:
- подключение большого количества ведущих приборов с использованием только одного микроконтроллера;
- высокая степень сохранности данных;
- простая процедура диагностики возникающих сбоев, быстрая отладка неисправностей;
- отсутствие необходимости дополнительной разработки шинного интерфейса.
На рис. 7 представлена блок-схема программной части. Управление происходит на программируемом логическом контроллере Arduino Uno R3.
Блок-схема предполагает следующие входные данные:
- ввод сигналов от пульта дистанционного управления и их распознавание ИК-приемником (3): в случае установления значения аналогового входа A2 на уровень сигнала HIGH осуществляется включение установки (4), при отсутствии сигнала с индивидуальным шестнадцатеричным кодом на ИК-приемнике, микроконтроллер Arduino находится в режиме ожидания процесса ввода соответствующего аналогового сигнала (5);
- отключение световой сигнализации (7): осуществляется с пульта дистанционного управления. При работающей световой сигнализации аварии по току (6) микроконтроллер не выдает разрешающего сигнала на процесс запасовки очистного скребка - цифровой пин 11 для начала работы стенда должен быть установлен науровне LOW.
Работа стенда по запасовке ВИП в КПП СОД осуществляется при невыполнении (8), которое отвечает за выставленную дальность в скетче микроконтроллера Arduino. На ЖК-дисплей выводится информация по дальности выдвижения ступени цилиндра, по величине тока, направлению движения штока (9). Двунаправленными линиями связи выступают пины SCL и SDA микроконтроллера Arduino. Управляющим на запуск процесса запасовки является второй пин с сигналом уровня HIGH микроконтроллера Arduino, подсоединенный к пусковому реле щеточного мотора (10).
Прекращение выдвижения ступени цилиндра происходит по достижении заданной длины дальномером, тем самым размыкается цепь двухканального модуля реле (11).
Управление по-прежнему осуществляется при помощи 4-го пина платы Arduino подачей на него сигнала LOW.
На данном этапе работа стенда по запасовке ВИП заканчивается, требуется вернуть шток в исходное положение. Обратный ход цилиндра осуществляется при установлении значения цифрового контакта 6 на уровень сигнала HIGH (12), что происходит при приеме инфракрасного излучения с необходимым шестнадцатеричным кодом на чтении ИК-приемника, в противном случае микроконтроллер Arduino находится в режиме ожидания процесса ввода соответствующего цифрового контакта (13).
На ЖК-дисплей выводится информация по дальности выдвижения ступени цилиндра, величине тока и направлению движения штока (14). Управляющим на запуск складывания ступени цилиндра в исходное положение (15) является третий пин с сигналом уровня HIGH микроконтроллера Arduino, подсоединенный к пусковому реле щеточного мотора.
Завершение работы осуществляется путем обесточива-ния демонстрационного стенда.
В ходе проведенных испытаний работа стенда была признана успешной. Устройство показало полную работоспособность, выполнив все действия в соответствии с запрограммированным алгоритмом работы. В дальнейшем стенд может быть использован для учебных целей как пример альтернативного запасовочного устройства при изучении учебных дисциплин по эксплуатации нефтепроводов.
Таким образом, был разработан автоматизированный стенд, демонстрирующий работу автоматизированного запасовочного устройства на основе гидравлической системы. Автоматизация процесса позволяет уменьшить трудоемкость процесса запасовки и сократить общее время проведения подготовительных работ перед запуском диагностических и очистных снарядов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
2.
6.
7.
9.
10.
11
Корнеева С.А. Внутритрубная диагностика трубопроводов // Вестник магистратуры. 2019. № 9-1 (96). С. 15-16.
Талипов С.Т. Внутритрубная диагностика как средство предупреждения аварий и инцидентов трубопроводных систем ООО «Лукойл-Пермь» // Территория НЕФТЕГАЗ. 2013. № 12. С. 46-48.
Кадакин В.П. Контроль коррозионного состояния магистральных нефтепроводов на основе внутритрубной диагностики // Территория НЕФТЕГАЗ. 2008. № 10. С. 32-43.
Техническое диагностирование трубопроводов линейной части и технологических трубопроводов магистральных нефтепроводов и нефтепродуктопроводов. URL: https://docs.cntd.ru/document/550855673 (дата обращения 03.06.2022).
Хасанов И.И., Шамбазов Д.А. Модернизация камеры пуска-приема средств очистки и диагностики // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2021. № 5-6. С. 13-16.
Ахметов Л.М., Биков Д.И., Хамидуллин М.Р., Гареева Г.А. Интеллектуальная система полива растений на базе микроконтроллера Arduino Uno // International Journal of Advanced Studies. 2021. T. 11. № 4. С. 7-17. Веденичев И.В., Саитова З.Г. Разработка комплексно-моделирующего стенда угловой динамики движения зенитной управляемой ракеты // Политехнический молодежный журнал. 2019. № 3. С. 1-10. Холматов О.О., Муталипов Ф.У. Система домашней безопасности в реальном времени на базе Arduino Uno и GSM с использованием самогенерируемой защиты паролем // Universum: Технические науки. 2021. № 5-2 (86). С. 9-13.
Омельченко Е.Я., Танич В.О., Маклаков А.С., Карякина Е.А. Краткий обзор и перспективы применения микропроцессорной платформы Arduino // Электротехнические системы и комплексы. 2013. № 21. С. 28-33. Жмудь В.А., Кондратьев Н.О., Кузнецов К.А. и др. Ультразвуковой датчик расстояния HC-SR04 // Автоматика и программная инженерия. 2017. № 4 (22). С. 18-26.
Дэйв В. Использование осциллографа для отладки цепей в протоколе I2C // Компоненты и технологии. 2020. № 11. С. 174-175.
4
5
REFERENCES
1. Korneyeva S.A. In-line diagnostics of pipelines. Vestnik magistratury, 2019, no. 9-1 (96), pp. 15-16 (In Russian).
2. Talipov S.T. In-line diagnostics as a means of preventing accidents and incidents in pipeline systems of Lukoil-Perm LLC. Territoriya NEFTEGAZ, 2013, no. 12, pp. 46-48 (In Russian).
3. Kadakin V.P. Control of the corrosion state of main oil pipelines based on in-line diagnostics. Territoriya NEFTEGAZ, 2008, no. 10, pp. 32-43 (In Russian).
4. Tekhnicheskoye diagnostirovaniye truboprovodovlineynoy chasti i tekhnologicheskikh truboprovodov magistral'nykh nefteprovodov i nefteproduktoprovodov (Technical diagnostics of pipelines of the linear part and technological pipelines of main oil pipelines and oil product pipelines) Available at: https://docs.cntd.ru/document/550855673 (accessed 3 June 2022).
5. Khasanov I.I., Shambazov D.A. Modernization of the chamber for launching and receiving means of cleaning and diagnostics. Transport ikhraneniye nefteproduktovi uglevodorodnogo syr'ya, 2021, no. 5-6, pp. 13-16 (In Russian).
6. Akhmetov L.M., Bikov D.I., Khamidullin M.R., Gareyeva G.A. Intelligent plant watering system based on the Arduino Uno microcontroller. International Journal of Advanced Studies, 2021, vol. 11, no. 4, pp. 7-17 (In Russian).
7. Vedenichev I.V., Saitova Z.G. Development of a complex-simulating stand for the angular dynamics of the movement of an anti-aircraft guided missile. Politekhnicheskiy molodezhnyy zhurnal, 2019, no. 3, pp. 1-10 (In Russian).
8. Kholmatov O.O., Mutalipov F.U. Real-time home security system based on Arduino Uno and GSM using self-generated password protection. Universum: Tekhnicheskiye nauki, 2021, no. 5-2 (86), pp. 9-13 (In Russian).
9. Omel'chenko YE.YA., Tanich V.O., Maklakov A.S., Karyakina Ye.A. A brief review and prospects for the use of the Arduino microprocessor platform. Elektrotekhnicheskiye sistemy i kompleksy, 2013, no. 21, pp. 28-33 (In Russian).
10. Zhmud' V.A., Kondrat'yev N.O., Kuznetsov K.A. Ultrasonic distance sensor HC-SR04. Avtomatika iprogrammnaya inzheneriya, 2017, no. 4 (22), pp. 18-26 (In Russian).
11. Deyv V. Using an oscilloscope to debug circuits in the I2C protocol. Komponenty i tekhnologii, 2020, no. 11, pp. 174-175 (In Russian).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Хасанов Ильнур Ильдарович, к.т.н., доцент кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Харисов Рустам Маратович, старший преподаватель кафедры вычислительной техники и инженерной кибернетики, Уфимский государственный нефтяной технический университет. Шакиров Руслан Азатович, аспирант, Уфимский государственный нефтяной технический университет. Махъянов Рамиль Робертович, студент кафедры автоматизации, телекоммуникации и метрологии, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Ilnur I. Khasanov, Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technological University.
Rustam M. Kharisov, Senior Lecturer of Department of Computer Engineering and Cybernetics, Ufa State Petroleum Technological University.
Ruslan A. Shakirov, Postgraduate Student, Ufa State Petroleum Technological University.
Ramil R. Makhyanov, Student of Department of Automation, Telecommunications and Metrology, Ufa State Petroleum Technological University.
