CC BY
141
У
Сеть сбора метрологических данных системы дистанционного контроля параметров жидкости в резервуарах
Рассмтривается задача организации сети сбора метрологической информации (температуры, давления, уровня) системы распределенных на большой территории автономных многофункциональных измерителей параметров нефтепродуктов. Анализируются достоинства, особенности и ограничения автономных измерительных систем. Анализируются возможности использования нелицензируемых диапазонов частот 433 и 868 МГц. С учетом современной элементной базы и Российского законодательства рассматриваются перспективы применения более высоких частот, в том числе частотного диапазона 2400 МГц. Сравнение производится на основе рассмотрения допустимой мощности излучения, стоимости компонент, сложности программного обеспечения, конструктивного исполнения, энергопотребления, условий распространения радиоволн и помеховой обстановки. Рассматриваются особенности построения радиосетей на основе двунаправленного синхронного пакетного протокола Р1гТ^д. Предусматриваются режимы, учитывающие возможные временные нарушения связи из-за ухудшения помеховой обстановки. Обсуждаются проблемы, связанные с обеспечением длительного времени автономной работы при изменении в широких пределах температуры внешней среды, организации нескольких сетей, дистанционного программирования автоном-Ключевые слова: дистанционный контроль, ных измерителей. Описываются особенности монтажа беспроводных сетей. Комментируются
непицензируемыйдиапа^ рqциомодeм, возможности использования режима ретрансляции пакетов данных. Приводятся результаты
сещ пакетный протокол. круглогодичных натурных испытаний в условиях Ханты-Мансийского Автономного Округа.
Дёмко А.И.,
к.т.н., доцент кафедры радиоэлектроники Сургутского государственного университета, директор ООО "Малое инновационное предприятие "Беспроводные и измерительные технологии" (ООО "БИТ"), [email protected]
Радомский С.А.,
главный инженер ООО "Средства автоматизации Радомского и Компании" (ООО "САРиК"), [email protected]
Во многих отраслях промышленности актуальной является задача сбора данных от системы распределенных на большой территории источников. В нефтегазовом производстве эта задача состоит в передаче параметров жидкости от системы распределенных на большой территории резервуаров. Параметры жидкости (уровень, температура, объем и пр.) измеряются многофункциональными уровнемерами. Особенно ответственными являются эти задачи для случая горючих и легковоспламеняющихся жидкостей. Оперативность, эффективность, экономичность и безопасность технологических процессов при этом определяются как надежностью и метрологическими характеристиками уровнемеров, так и параметрами и протоколом сети передачи данных
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 избыточного 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 [1] 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.
Рис. 1. Структурная схема системы сбора информации от автономные беспроводные уровнемеров
На рисунке 1 изображена структурная схема системы сбора информации от автономных беспроводных уровнемеров.
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 [2] частот (табл. 1). 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 расстоя-ния. 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 радиоволн 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.
Таблица 1
Основные технические характеристики и условия безлицензионного использования устройств беспроводной передачи данных
Частота, МГц Основные характеристики Назначение Регламентирующий документ
26,957-27,283 10 мВт (Рабочий цикл не ограничен) Неспециализированные устройства малого радиуса Приложение 1 к ре-шению ГКРЧ от 7 мая 2007 г. № 07-20-03-001
40,660-40,700 10 мВт (Рабочий цикл не ограничен) Неспециализированные устройства малого радиуса Приложение 1 к ре-шению ГКРЧ от 7 мая 2007 г. № 07-20-03-001
433,075...434,79 10 мВт (Рабочий цикл не ограничен) Неспециализированные устройства малого радиуса Приложение 1 к решению ГКРЧ от 7 мая 2007 г. № 07-20-03-001
864...865 25 мВт Рабочий цикл 0,1% Неспециализированные устройства малого радиуса Приложение 2 к решению ГКРЧ от 07 мая 2007 г. № 07-20-03-001
868,7...869,2 25 мВт Неспециализированные устройства малого радиуса Приложение 2 к решению ГКРЧ от 07 мая 2007 г. № 07-20-03-001
2400...2483,5 100 мВт Персональные радиосети (технология Bluetooth) Приложение 2 к решению ГКРЧ от 07 мая 2007 г. № 07-20-03-001
2400-2483,5 10 мВт Персональные радиосети (технология ZigBee) Приложение 2 к решению ГКРЧ от 07 мая 2007 г. № 07-20-03-001
2400...2483,5 100 мВт Пользовательское (оконечное) оборудование Wi-Fi малого радиуса действия стандартов IEEE 802.11, IEEE 802.11 .b, IEEE 802.11 .в. IEEE 802.11.
5725...5875 25 мВт Неспециализированные (любого назначения) устройства
5150...5350 100 мВт Пользовательское (оконечное) оборудование Wi-Fi малого радиуса действия стандартов IEEE 802.11а, IEEE 802.11 .п
5650...6425 100 мВт Пользовательское (оконечное) оборудование Wi-Fi малого радиуса действия стандартов IEEE 802.11а, IEEE 802.11.П
Работа в частотном диапазоне 868 МГц [3] 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 [4, 5]. Среди недостатков можно отметить невысокую скорость передачи информации и небольшое число каналов связи (69 каналов с шагом 12,5 кГц для 433 МГц).
С учетом проведенного анализа в рамках выполнения совместных работ компаниями ООО "САРиК" [6] и ООО "БИТ1' была спроектирована и развернута сеть сбора информации с 12 резервуаров в диапазоне 433 МГц (г. Салехард, Тюменская область, ЯмалоНенецкий Автономный Округ).
Резервуары распределены на производственной площадке размером 50 х 200 м, при этом резервуары удалены от пункта сбора данных на 50-300 м. Радиомодемы пункта сбора данных(работающие на штыревые антенны с коэффициентом усиления 3 дБ и не расположенные в зоне прямой видимости для 8 из 12 радиомодемов уровнемеров) находятся в кирпичном здании с толщиной стен порядка 700 мм. Поме-ховая обстановка обычная, характерная для промышленных зон пригородов.
Уровнемеры работают в радиосети, пост-
роенной на основе двунаправленного синхронного пакетного протокола НгТ'мд ("еловая ветка"). Любой из узлов сети при необходимости выполняет функции ретранслятора. Если между отправителем и получателем есть прямая радиосвязь, пакет передается напрямую. Если нет, то он передается по цепочке ретрансляции, причем оптимальный маршрут ретрансляции определяется автоматически. Механизмы подтверждения приема, повторных попыток и запасных путей обеспечивают гарантированную доставку пакетов при неустойчивой радиосвязи. Такой алгоритм подходит для задач, не требующих большого сетевого трафика, в первую очередь для сети с автономным питанием, где ключевым требованием является экономичность и надежность доставки информации. При необходимости возможно добавление механизма шифрования данных. Для случаев временного нарушения связи, допустим из-за ухудшения помеховой обстановки, возможна организация буфера временного хранения передаваемых данных.
Измерительная часть уровнемера передает частотно манипулированные колебания в радиомодем по протоколу обмена "Мо^иэ КШ". Радиомодем большую часть времени работает в экономичном режиме пониженного энергопотребления и кратковременно подает в антенну кодированный (уровень, температура, напряжение источника питания) радиоимпульс-ный сигнал в диапазоне частот433 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 организовы-
вать 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 сеты 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 изменениях и доработках в коммуникациях.
Многофункциональность определяется возможностью адаптации уровнемера под особенности конкретных объектов:
1. Измерение одного параметра (уровень, скорость изменения уровня, температура, давление), или любой их комбинации;
2. Измерение одного уровня, или нескольких (границ раздела фаз многофазных жидкостей);
3. Работа в режиме измерения уровня или в режиме фиксации нахождения уровня в заданных границах;
4. Отображение уровня, или пересчет в объем (массу) жидкости в резервуаре;
5. Возможность использования переносного (малогабаритного, беспроводного) пульта оператора для тестирования работы как отдельных уровнемеров, так и всей сети уровнемеров.
На рис. 2 изображен внешний вид экрана диспетчера по обслуживанию сети из десяти резервуаров с дизельным топливом и сети из
РИс. 2. Внешний вид экрана диспетчера по обслуживанию сети резервуаров дизельного топлива
двух резервуаров с водой.
На экране монитора отображается графически (зеленая вертикальная полоса вблизи правой стенки резервуара) и в числовом виде уровень жидкости в каждом резервуаре. Кроме того отображается температура жидкости (средняя, на дне и вблизи поверхности), а при наведении курсора на антенну уровнемера (в верхней правой части резервуара) дополнительно появляется табличка с температурой и напряжением батареи питания радиомодема. Для каждого резервуара возможен переход в режим архивных графиков, где отображаются зависимости температуры и уровня от времени, кроме этого имеются пиктограммы, отображающие характер изменения температуры и уровня (постоянная, увеличивается, уменьшается). В нижней части экрана отображается таблица с вычисленными значениями объёма и массы, как по отдельным резервуарам, так и суммарные.
Период сбора измеренной информации диспетчерским пунктом определяется параметрами технологических процессов и производственной необходимостью, и влияет на время
автономной работы уровнемеров.
Эксплуатация системы происходит в жестких условиях (минимальная температура окружающей среды до минус 46°С) со значительными (до 15°С) изменениями температуры за сутки.
Монтаж и настройка уровнемера занимает всего несколько рабочих часов при наличии доступа к резервуарам и возможности замены резервуарных крышек на крышки с резьбовыми отверстиями под корпус уровнемера, фиксируемого в рабочем положении цанговым зажимом. Используемая элементная база, режимы ее работы и параметры протоколов передачи данных позволяют обеспечить время автономной необслуживаемой работы многофункциональных уровнемеров 3-6 лет (в зависимости от емкости используемых элементов электропитания и периода опроса).
Литература
1. Магнитострикционный уровнемер: патент134317 Российская Федерация, МПК7 G01F 23/28/ А.И. Демко, СА Радомский; заяви-
тель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "Средства автоматизации Радом-ского и Компании".- №2013119114/28; заявл. 24.04.2013; опубл. 10.11.2013, Бюл. №31. 2 с.
2. О выделении полос радиочастот устройствам малого радиуса действия. Решение Государственной Комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) №07-20-03-001 от 7 мая 2007 г.
3. Епькин М.С. Сравнение дальности действия радиоканальнык систем диапазонах433,868 МГц и 2,4 ГГц [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.Hnko.ru/article-45 (дата обращения
6.02.2014).
4. Пушкарев О. Использование диапазонов 433 и 868 МГц в системах промышленной телеметрии [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.russianelectronics.ru/leader-r/review/21 87/doc/58633/ (дата обращения
6.02.2014).
5. Пронин А. Радиомодули Radiotronix для диапазонов 433/868/915 МГц// Беспроводные технологии, 2007. №4. С.10-14.
6. Общество с Ограниченной Ответственнос-
тью "Средства Автоматизации Радомского и Компании" ООО "САРиК" [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.saric.ru/index.php?option=
com_content&view=article&id=48&Itemid=27 (дата обращения 6.02.2014).
Network for acquiring metrological data of the system of remote control of parame-ters of liquid in tanks
Anatoly Demko, Department of radio electronics of the Surgut state University, associate Professor, limited liability company "Small innovation enterprise 'Wireless and measuring technologies", Director, Surgut, Russian Federaton, [email protected]
Sergey Radomski, Limited Liability Company "Automation Systems Radomski and company1', chief engineer, Surgut, Russian Federaton,
Abstract
In the article the task of establishing a network of collection metrological data (tempera-ture, pressure, level) system distributed on the large territory of the Autonomous multifunction meters of parameters of oil products. Analyses the advantages, features and limitations of the Autonomous measuring systems. Possibilities of using without licences frequency 433 and 868 MHz. Given the modern element base and the Russian legislation treated prospects of application of higher frequencies, including the frequency range 2400 MHz. The comparison is based on the consideration of allowable radiation power, cost component, software complexity, structural design, power consumption, radio propagation conditions and jamming environment. Considers the peculiarities of construction of radio networks based on the synchronous bi-directional packet Protocol FirTwig. The regimes that take into account the possible temporary disorders due to deterioration jamming environment. The article discusses the challenges associated with providing long battery life while changing in a wide range of temperature of the external environment, the organization of several networks, remote programming of Autonomous measures. Describes the features of installation of wireless networks. Commented the possibility of using relay-mode data packets. The results of a year-round full-scale tests in the conditions of the Khanty — Mansiysk Autonomous Okrug.
Keywords: remote control, unlicensed band, radio-modem, network, packet Protocol.
References
1. Magnetostrictive level gauge: Pat. 134317 Russian Federation, MPK7 G01F 23/28/ A.I. Demko, S.A. Radomski; applicant and patent holder of the Society with limited liability "Means of automation of Radomski and the Company". №2013119114/28; Appl. Tour voucher; publ. Green points, bull. No31. 2 p.
2. On the allocation of radio frequency bands devices small range. The decision of the State Commission on radio frequencies (SCRF) №07-20-03-001 from May 7, 2007.
3. Elkin, M.R. Comparison of the range of radio channel systems ranges 433,868 MHz and 2.4 GHz [Electronic resource]. http//wwwtinko.ru/artide-45.
4. Pushkarev O. Acting ranges 433 and 868 MHz in industrial systems telemetry [Electronic resource]. http://www.russianelectronics.ru/leader-r/ review/2187/doc/58633.
5. Pronin, A Radios Radiotronix for ranges 433/868/915 MHz / Wireless technologies, 2007. No4. pp. 10-14.
6. Society with Limited Liability "Means of Automation of Radomski and Company" LLC "SAR&C" [Electronic resource]. http://www.sarc. m/indexphp?oplion=sector&view=ar1i-cle&id=48&Itemid=27.
