CC BY
172
Гаврик А.В., Гаврик П.В.
ФГОУ Пензенский государственный университет, Пенза, Россия
РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ КОММЕРЧЕСКОГО УЧЁТА ПАРАМЕТРОВ ПРИРОДНОГО ГАЗА
Введение
Единая система учета газа должна обеспечивать решение следующих основных задач:
- высокий уровень достоверности измерения объема газа от магистрального газопровода до конечного потребителя на всех уровнях распределения и потребления как основы для коммерческих расчетов и сведения баланса «подача - потребление» газа (как физического, так и финансового);
- возможность ее эффективного использования для:
а) совершенствования технологического контроля и, как следствие, снижение потерь и других непроизводственных затрат;
б) выработки и применения гибкой тарифной политики, направленной на рациональное потребление газа (экономию).
Эффективная система измерения и учета объема газа на всех уровнях является базой для перехода к измерению и учету энергетической ценности газа как основного параметра для коммерческих расходов.
Основная цель внедрения автоматизированных систем коммерческого учета газа (АСКУГ) - повышение достоверности учёта потребляемого природного газа с помощью внедрения современных систем измерения и обеспечение устойчивости работы системы газоснабжения, посредством установки устройств регулирования подачи газа.
Задачи системы АСКУГ
построение единой, территориально распределенной системы АСКУГ для всех категорий потребителей и возможных получателей данных;
применение высокотехнологичных компонентов и последних достижений в области передачи информации для построения эффективной системы телеметрии (СТМ);
использование в качестве каналов передачи данных (основных и резервных, Интернет) имеющей в своей основе оптоволокно;
возможность объединения в единую систему сбора и передачи данных ранее установленных на объектах АСУТП без дополнительных инвестиций в модернизацию;
полное соответствие международным промышленным стандартам передачи данных - OPC, МЭК 61870-510х;
высокая надежность и отказоустойчивость системы, резервирование критических компонентов систе-
мы;
На текущий момент при добыче попутного нефтяного газа возникают потери, связанные с применением устаревших датчиков, несовершенной структурой автоматизированной системы учёта, Данную ситуацию наглядно иллюстрируют диаграммы и график, представленные на рисунке 1. [1]
Необходимо разработать систему учёта, способную выявить источники потерь при транспортировке и переработке газа. В основе лежит информационно-измерительная система, вопросы совершенствования которых рассматриваются в работе [2].
Рисунок 1 - Потери газа при добыче
Преимущество разрабатываемой системы заключается в применении одного датчика для измерения нескольких физических величин. Благодаря этому достигается минимизация структуры измерительной системы. Данное преимущество удалось реализовать с помощью использования современных технологий в области волоконно-оптических датчиков. Разрабатываемая система обладает уникальными возможностями к трансформации и может быть приспособлена под любой объект, где необходимо учитывать разнообразные параметры, будь то расход, давление, ускорение, перемещение, температура. В статье приведён пример применения системы в газовой отрасли.
Основная часть
Оптоволоконные датчики широко применяются в разных системах [3]. Особенностью оптоволокна как прецизионного чувствительного элемента, так и среды передачи данных, является передача сразу нескольких физических величин по одной физической среде. Как результат, в системе учёта становится более эффективной, надёжной, устойчивой к различным нагрузкам, возмущениям. Этих показателей удалось добиться с помощью оптимизации системы за счёт применения помехозащищённых линий передачи сигнала, уменьшения количества датчиков, которые могут служить источником дополнительных погрешностей измерения.
Целесообразность применения совершенно нового класса измерительных преобразователей, основанных на методах обратного рассеивания, обусловлена наличием таких важных качеств, как: широкополосность (до нескольких десятков терагерц); малые потери (минимальные 0,154 дБ/км); малая масса (приблизительно 30 г/км);
1
эластичность (минимальный радиус изгиба 2 мм);
механическая прочность (выдерживает нагрузку на разрыв примерно 7 кг);
взрывобезопасность (гарантируется абсолютной неспособностью волокна быть причиной искры);
высокая электроизоляционная прочность (например, волокно длиной 20 см выдерживает напряжение до
10 000 B);
Работа системы основана на цифровой обработке оптического спектра излучения, отраженного от измерительного зонда. Использование спектрального кодирования обеспечивает высокую помехозащищенность системы и ее нечувствительность к флуктуациям оптической мощности в линии связи.
Система состоит из набора миниатюрных датчиков, подключенных к блоку регистрации волоконнооптическим кабелем [4]. Конструктивное исполнение датчиков может изменяться в соответствии с техническими условиями заказчика.
Определение абсолютного значения базы производится путем согласованной цифровой фильтрации спектрального сигнала и последующего определения периода модуляции.
На нижнем уровне располагаются датчики физических величин, чувствительным элемент которых является оптоволокно. Физические воздействия на оптоволокно, такие как: температура, давление, сила
натяжения - локально изменяют характеристики пропускания света и как следствие, приводят к изменению характеристик сигнала обратного отражения.
В основе измерительных систем на основе оптоволоконных датчиков используется сравнение спектров и интенсивностей исходного лазерного излучения и излучения, рассеянного в обратном направлении, после прохождения по оптоволокну [5].
Как правило, для контроля состояний объектов используют сразу несколько датчиков, объединенных в одну систему.
Широкополосный сигнал от полупроводникового источника света через волоконно-оптический разветвитель поступает в волоконную измерительную линию. Отраженный решетками сигнал через тот же ответвитель поступает на оптический анализатор спектра 4. Персональный компьютер через требуемые промежутки времени считывает спектр и обрабатывает его с помощью специальной программы. Следует отметить масштабируемость системы как по количеству датчиков на одной измерительной линии (до 50 -100 точек измерения), так и по количеству волоконно-оптических линий измерения (с использованием оптического переключателя). Локальность измерений может составлять от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров в зависимости от конкретных условий и задач. Средняя точность датчика- порядка 0.1° С, диапазон измерений: -100 ^ +400° С.
Конструкция датчика давления и температуры представлена на рисунке 2 [6]. Датчик для измерения
механического перемещения поверхности образован торцом волокна и контролируемой поверхностью [7]. Измерение температуры производится с помощью измерения толщины оксидной пленки.
Полученный сигнал с датчиков необходимо обработать. Для этой задачи и предназначен блок регистрации (или унифицированный регистрирующий модуль).
Блок регистрации представляет собой универсальный модуль, разработанный для детектирования и демодуляции оптических сигналов, поступающих от интерферометрических зондов. Блок включает в себя светоизлучающий диод (СИД), оптический спектрометр, программное обеспечение. Обработка сигнала может быть реализована как на основе персонального компьютера, так и на основе микроконтроллера.
Унифицированный регистрирующий модуль (УРМ) обеспечивает регистрацию оптических сигналов от волоконно - оптических датчиков различных физических величин на основем волоконных брэгговских решеток (ВБР).
Отличительной особенностью данной серии унифицированных регистрирующих модулей является полная деполяризованность выходного излучения, что приводит к меньшей погрешности измерений при использовании волоконно - оптических датчиков.
Основные достоинства
высокая чувствительность и быстродействие;
широкая номенклатура измеряемых физических параметров, обеспечивающая информационную полноту анализа;
простота обслуживания и ремонта.
Области применения
энергетика, в том числе - атомная и термоядерная;
металлургия и химическая промышленность;
нефтедобыча и газодобыча;
трубопроводный транспорт;
Все данные, собранные унифицированным регистрирующим модулем УРМ (в некоторых источниках имеет другое название - приёмно-регистрирующее устройство - ПРУ), попадают на автоматизирование рабочее место пользователя (оператора). На компьютере может стоять разнообразные SCADA или HMI системы -
2
простое и эффективное средство построения систем диспетчеризации, мониторинга, контроля и управления производственными процессами.
Как видно из вышеописанных характеристик унифицированных регистрирующих модулей, связь между последним и АРМ пользователя поддерживается на физическом уровне с помощью интерфейсов RS 232 или RS485, а так же Ethernet RJ45. Соответственно все данные будут передаваться по протоколам Modbus. Это открытый коммуникационный протокол, основанный на архитектуре «клиент-сервер».. Может использоваться для передачи данных через последовательные линии связи RS-485, RS-422, RS-232, а также
сети TCP/IP (Modbus TCP).
Общая структурная схема системы учёта представлена на рисунке 6 .
Разрабатываемая автоматизированная система учёта является универсальной, поскольку может применяться в различных отраслях промышленности. Подстройка системы под технологические нужды занимает минимум времени, а наличие большого выбора разнообразных волоконно-оптических датчиков, способных измерять любые физические величины, такие как температура, давление, расход, перемещение, ускорение позволяет найти применение во многих областях деятельности.
~АРМ
АРМ
Рисунок 6
Система может найти место в следующих сферах
химическая промышленность
нефтегазовой промышленности
металлургии
энергетика
авионика
автоэлектроника
Благодаря наличию в линейке волоконно-оптических датчиков бесконтактных сенсоров, заметно упрощается монтаж системы. Применение датчиков такого типа имеет свои преимущестав, так как из-за своего небольшого размера они могут быть очень компактны. Отпадает необходимость подвода внешнего питания, что позволяет размещать их в удаленном месте. Кроме того, большое число датчиков возможно подключить к одному оптоволоконному кабелю методом мультиплексирования с использованием различных длин волн излучения для каждого датчика, либо путем измерения времени задержки данных от каждого датчика. Это немаловажное качество позволит избавиться от дополнительных линий связи датчиков с измерительным преобразователем.
В особо важных ситуациях, требующих высокой надёжности, возможно дублирование каналов связи, когда при выходе из строя действующего оптоволоконного кабеля на замену ему приходит резервный и вся передача данных перестраивается на резервный канал.
3
Так как в разрабатываемой автоматизированной системе учёта все датчики являются однотипными, основанными на схожих физических эффектах, то замена одного датчика другим, пусть даже если измеряемые величины различны, не составит проблем. Структуру нижнего уровня системы можно менять под текущие требования, нужды, При этом производимые изменения почти не затронут уровень сбора данных. Единственное, что может добавиться - так это дополнительные приёмно-регистрирующие устройства. Разработанная система использует широко распространённый интерфейс передачи данных RS232/RS485 и Ethernet.
Заключение
В результате проделанной работы была создана автоматизированная система, которая может быть использована в качестве системы учёта природного газа, отвечающая современным стандартам качества. Были учтены все критерии по надёжности системы, точности измерений. В основу были положены оптоволоконные датчики давления, температуры. Благодаря применению автоматизированной системы коммерческого учёта природного газа были достигнуты поставленные задачи.
Разработанная система является уникальной, поскольку имеет широкое применение в разных сферах деятельности человека. В данной работе был приведён вариант эксплуатации на газоперерабатывающем комплексе. Хотя на этом её спектр применение не ограничивается. Поскольку разработанная система является мобильной и хорошо трансформируемой, её можно подстраивать под разные задачи. Заменяя одни датчики на другие, при условии, что физические основы остаются прежними (базирующиеся на распространении света в оптоволоконном кабеле), автоматизированную систему можно применять совершенно в разных областях промышленности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Структура добычи и газа в России и мире [Электронный ресурс]. http://www.geoinform.ru
2. Бурба, А.А. Выбор оптимальных метрологических характеристик измерительной информационной системы для оценки надежности и качества сложных технических систем// Труды международного симпозиума Надежность и качество, 2013, т.1.- Стр.14,15
3. Базыкин,С.Н., Измерение отклонений от прямолинейности с помощью лазерных интерферометров// С.Н.Базыкин, Н.А. Базыкина, С.В. Капезин // Труды международного симпозиума Надежность и качество,
2011, т.1.- Стр.8-12
4. Волоконно-оптические датчики: перспективы промышленного применения [Электронный ресурс]
http://www.russianelectronics.ru/leader-r/review/2193/doc/54040/
5. Волоконно-оптический датчик. Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://traditio-ru.org/.
6. Патент РФ № 2419765 Волоконно-оптический преобразователь углового перемещения / Серебряков Д. И., Мурашкина Т. И., Пивкин А. Г., Юрова О. В. // Бюл. № 15 от 27.05.2011 г.
7. Патент РФ № 2253850 (Волоконно-оптический датчик давления / Бадеева Е.А. ,Гориш А.В. Мурашкина Т.И., Пивкин А.Г. // Бюл. № 15 от 10.06.2005 г.
4
