СТЕНД ИМИТАЦИИ РАБОТЫ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ И СПОСОБ ОБУЧЕНИЯ C ПРИМЕНЕНИЕМ СТЕНДА
STAND FOR SIMULATING THE OPERATION OF ELECTROCHEMICAL PROTECTION SYSTEMS AND STAND-BASED TRAINING METHOD

Стенд имитации работы систем электрохимической защиты (далее по тексту – Стенд) является аппаратно–программным комплексом, предназначенным для интерактивного обучения специалистов защиты от коррозии принципам работы систем электрохимической защиты (ЭХЗ) подземных стальных сооружений, проведению работ и получению практических навыков по настройке и оптимизации режимов работы средств ЭХЗ. Преимуществом использования Стенда является возможность моделирования большого количества различных отдельных элементов и систем ЭХЗ и ситуационных задач, идентичных тем, что возникают в реальных условиях эксплуатации систем ЭХЗ, отработки персоналом практических навыков работы с серийным оборудованием ЭХЗ и коррозионного мониторинга, которым оснащен Стенд.
Известны СИСТЕМА И СПОСОБ ИНТЕРАКТИВНОГО ОБУЧЕНИЯ (патент на изобретение РФ №2420811). Согласно изобретению система интерактивного обучения содержит действующие макеты оборудования, имитаторы параметров, комплекс средств телемеханики, систему автоматизированного управления компрессорного цеха (КЦ), автоматизированное рабочее место (АРМ) диспетчера предприятия и автоматизированные рабочие места операторов, объединенные высокопроизводительной сетью передачи данных, в нее дополнительно введено оборудование основных и вспомогательных объектов магистрального газопровода (МГ), система сжатого воздуха, эмуляторы системы автоматизированного управления (САУ) объектов МГ, автоматизированные рабочие места обучаемых и комплекс видеонаблюдения, АРМ преподавателя, которое снабжено аппаратно-программным обеспечением для управления технологическими и учебным процессами и интерпретатором для создания сценариев. Данная система имеет сложное конструктивное устройство и не обладает свойствами мобильности в связи с большими габаритными размерами и многосоставностью системы.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание средства обучения специалистов по защите от коррозии для повышения уровня, качества и эффективности обучения, контроля и анализа учебного процесса и проверки знаний в реальном режиме времени.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в расширении функциональных возможностей за счет:
- использования интерактивных методов обучения;
- возможности моделирования систем ЭХЗ и большого количества ситуационных задач, идентичных тем, что возникают в реальных условиях эксплуатации;
- возможности применения в составе Стенда серийного оборудования ЭХЗ и коррозионного мониторинга аналогичного тому, что применяется в реальных условиях;
- возможности обучения специалистов защиты от коррозии разного уровня компетенции и квалификации.
Стенд обладает гибкой оперативной коммутируемой схемой и позволяет  посредством оперативной коммутации собирать на имитаторах силовой части различные конфигурации систем ЭХЗ подземных стальных сооружений промышленных объектов различных производственно – технологических комплексов, моделируя при этом различные ситуационные задачи.
Заявленный технический результат достигается благодаря тому, что стенд имитации работы систем электрохимической защиты включает в себя  аппаратную часть, выполненную в виде стола с двумя функциональными уровнями, размещенными на основании, и автоматизированное рабочее место, включающее персональный компьютер с прикладным программным обеспечением, выполненное на базе серийной подсистемы контроля и управления средствами электрохимической защиты, при этом в состав аппаратной части входит верхний функциональный уровень, выполненный в виде масштабного макета промышленного объекта с элементами ландшафта, технологических объектов, защищаемых сооружений, элементов и средств электрохимической защиты, и  нижний функциональный уровень, состоящий из импульсных преобразователей катодной защиты в количестве по крайне мере трёх, подсистемы коррозионного мониторинга, выполненной на базе модуля сопряжений подсистемы коррозионного мониторинга с измерительными платами, и коммутационной панели, включающей в себя имитаторы параметров, характеристик и отдельных элементов системы электрохимической защиты, выполненные в виде набора соединенных между собой сопротивлений, резисторов, элементов управления и коммутации, закрепленных на коммутационной панели,  при этом на поверхности верхнего уровня обозначены места подземного расположения трубопроводов, указаны точки измерения защитного потенциала, точки дренажа, места расположения дренажных линий и направление тока станции дренажной защиты, и у каждой точки измерения защитного потенциала предусмотрены контактные выводы с возможностью подключения измерительного оборудования, индикаторы защитных потенциалов и регуляторы имитации нарушения изоляционного покрытия трубопровода.
Используемые в составе стенда импульсные преобразователи катодной защиты и элементы подсистемы коррозионного мониторинга  являются полномасштабными и действующими. Один из импульсных преобразователей катодной защиты может быть использован в качестве генератора блуждающих токов.
Имитаторы параметров представляют собой имитатор параметров грунта, имитаторы параметров защищаемых сооружений в количестве до 5 штук, имитаторы параметров защитного патрона на переходе защищаемого сооружения через дороги в количестве до 2 штук, имитаторы параметров блоков совместной защиты в количестве до 3 штук, имитатор параметров изолирующей вставки, имитатор параметров станции дренажной защиты.
Верхний уровень может быть снабжен прозрачным защитным колпаком из стеклопластика. Стенд предпочтительно снабжен системой принудительной вентиляции.
Автоматизированное рабочее место позволяет производить оптимизацию режимов работы средств электрохимической защиты и обучение и тестирование специалистов защиты от коррозии в автоматическом режиме.
Автоматизированное рабочее место позволяет управлять одним из импульсных преобразователей катодной защиты в режиме генератора блуждающих токов, задавая и изменяя параметры и характеристики имитируемых блуждающих токов.
Способ обучения c применением стенда по включает в себя обучение специалистов по защите от коррозии на полномасштабном и действующем оборудовании электрохимической защиты и коррозионного мониторинга с применением автоматизированного рабочего места оператора подсистемы дистанционного контроля и управления средствами электрохимической защиты, оснащенного соответствующим программным и аппаратным обеспечением, в процессе обучения моделируют различные системы электрохимической защиты и ситуационные задачи, изменяют характеристики и параметры моделируемых систем электрохимической защиты, проводят автоматическую оптимизацию режимов работы средств электрохимической защиты, а так же управляют, контролируют и анализируют в автоматическом режиме процесс обучения, при этом моделируют действующие системы электрохимической защиты с параметрами и характеристиками, идентичными реальным условиям эксплуатации, посредством оперативной коммутации цепей на имитаторах силовой части и изменением параметров оборудования электрохимической защиты в реальном режиме времени.
Изобретение иллюстрируется чертежами:
Фиг.1 – общий вид стенда,
Фиг.2 - вид коммутационной панели нижнего уровня стенда,
Фиг.3 - схема электрическая принципиальная имитатора параметров «ТРУБА»
Фиг.4 - схема электрическая принципиальная имитатора параметров «ИЗОЛИРУЮЩАЯ ВСТАВКА»
Фиг.5 - схема электрическая принципиальная имитатора параметров «СТАНЦИЯ ДРЕНАЖНОЙ ЗАЩИТЫ»
Фиг.6 - схема электрическая принципиальная имитатора параметров «ТРУБА-ПАТРОН»
Фиг.7 - схема расположения элементов управления на коммутационной панели.
Стенд выполнен на базе модульных импульсных преобразователей катодной защиты с применением подсистемы коррозионного мониторинга. Стенд состоит из аппаратной части с автоматизированным рабочим местом (АРМ), выполненным на базе персонального компьютера (ПК) с прикладным программным обеспечением (ПО).
Аппаратная часть конструктивно выполнена в виде стола с двумя функциональными уровнями, размещенными на тумбе - основании.
Верхний уровень выполнен съемно – откидным, и представляет собой масштабный 3D макет промышленного объекта с элементами ландшафта (равнина, холмы, трава, кустарники и деревья, реки и озера), железнодорожных путей с сопутствующими коммуникациями и подвижным, автомобильных дорог, технологических объектов (здания и отдельные элементы промышленных площадок  и магистральных трубопроводов, мачты освещения и связи), защищаемых сооружений (трубопроводов, защитных «патронов» с вытяжными свечами на переходах через дороги, отдельных элементов  защищаемого технологического оборудования магистральных трубопроводов ), элементов и средств ЭХЗ (станций катодной и дренажной защиты, блоков совместной защиты, контрольно – диагностических и измерительных пунктов), закрываемый прозрачным защитным колпаком из стеклопластика. Набор расположенных на макете элементов может быть изменен в зависимости от задач и целей обучения. Условными знаками на поверхности верхнего уровня обозначены места подземного расположения трубопроводов, указаны точки измерения защитного потенциала, точки дренажа, места расположения дренажных  линий и направление тока станции дренажной защиты. У каждой точки измерения защитного потенциала в местах установки макетов контрольно – диагностических пунктов предусмотрены контактные выводы с возможностью подключения измерительного оборудования (вольтметра), индикаторы защитных потенциалов и регуляторы имитации нарушения изоляционного покрытия трубопровода. Так же предусмотрены индикаторы силы тока (амперметры) дренажа станции дренажной защиты и блока совместной защиты изолирующей вставки, расположенные в местах размещения макетов станции дренажной защиты и изолирующей вставки.
Нижний коммутационно - силовой уровень расположен под откидным декоративно – макетным уровнем и состоит из следующих основных частей:
- импульсных преобразователей катодной защиты в количестве от 3 шт,
- подсистемы коррозионного мониторинга,
- коммутационной панели с имитаторами параметров и характеристик системы ЭХЗ.
Импульсные преобразователи выполнены на базе модулей силовых мощностью 200 Вт каждый с блоками управления и обеспечены дистанционным контролем и управлением с рабочего места оператора АРМ Стенда. Импульсные преобразователи установлены в крейтах, обеспечивающих создание токов катодной поляризации и защитного потенциала на защищаемых сооружениях. Один из преобразователей может быть использован в качестве генератора блуждающих токов (ГБТ) в комплекте с ПО, обеспечивающим управление преобразователем с заданием характеристик блуждающих токов.
Подсистема коррозионного мониторинга выполнена на базе модуля сопряжений подсистемы коррозионного мониторинга и измерительных плат в количестве до 32 шт (максимально возможное число измерительных плат, подключаемых к одному модулю сопряжений подсистем) и обеспечивает сбор, обработку и передачу информации  о противокоррозионной защиты объектов по интерфейсу RS-485 в АРМ Стенда. Платы измерений обеспечивают измерение защитного потенциала и (при необходимости), силы тока дренажных линий. Модуль сопряжений подсистемы коррозионного мониторинга обеспечивает прием и передачу  информации с плат измерений по интерфейсу RS-485 в АРМ Стенда.
Коммутационная панель включает в себя имитаторы параметров, характеристик и отдельных элементов системы ЭХЗ с элементами управления и коммутации:
- имитатор параметров грунта «ГРУНТ», состоящий из резистивной матрицы, позволяющий имитировать изменение параметров грунта  и характеристик системы ЭХЗ при различной технологической обвязке и пространственном расположение объектов защиты и анодных заземлений, изменение  переходного сопротивление объекта защиты и сопротивление грунта;
- имитаторы параметров защищаемых сооружений «ТРУБА» (до 5 шт), позволяющие имитировать параметры и характеристики защищаемых сооружений, включающие в себя до 5 точек измерения защитного потенциала и точек дренажа преобразователей катодной защиты, с возможностью имитации изменения сопротивления изоляции (локальных повреждений) с помощью резисторов управления на макетной части стенда;
- имитатор параметров защитного «патрона» на переходах через автомобильные и железные дороги  «ТРУБА-ПАТРОН» (до 2 шт), позволяющий имитировать параметры защиты «патрона» (защитного футляра) на переходах трубопроводов через дороги с подключением к трубопроводу через блок совместной защиты и/или к протектору, наличие/отсутствие электрического контакта «труба-патрон», изменение сопротивления изоляции патрона и тока цепи «патрон – протектор»;
- имитатор параметров блока совместной защиты «БЛОК СОМЕСТНОЙ ЗАЩИТЫ» (до 3 шт), включаемый в состав отдельных имитаторов, имитирующий работу блока совместной защиты (БСЗ) с   изменением и регулировкой  сопротивления цепей  «патрон – протектор», «труба-патрон» и  изолирующей вставки (ИВ).
- имитатор параметров изолирующей вставки «ИЗОЛИРУЮЩАЯ ВСТАВКА» (1 шт), обеспечивающий имитацию короткого замыкания изолирующей вставки и регулирования тока блока совместной защиты изолирующей вставки;
- имитатор параметров станции дренажной защиты «СТАНЦИЯ ДРЕНАЖНОЙ ЗАЩИТЫ» (1 шт), позволяющий имитировать работу станции дренажной защиты и изменение силы тока дренажа.
Конструктивно имитаторы выполнены как наборы соединенных между собой сопротивлений, резисторов, элементов управления и коммутации, закрепленных на коммутационной панели. Отдельные элементы управления имитаторов (регуляторы имитации нарушения изоляционного покрытия защищаемых объектов) и отображения измеряемых параметров (индикаторы защитного потенциала и амперметры станции дренажной защиты  и изолирующей вставки) вынесены на демонстрационно – макетную часть стенда.
Принципиальные электрические схемы имитаторов и расположения элементов управления представлены на фиг. 3-7.
Силовая часть стенда конструктивно выполнена в крейтах, смонтированных в столе. Панель автоматических выключателей для управления питанием модулей и блоков стенда расположена на передней части стенда. Охлаждение силовой части стенда обеспечивается системой принудительной вентиляции. Питание дополнительных систем предусмотрено от блоков питания, расположенных под коммутационной панелью.
Аппаратная часть стенда обеспечивает следующие функциональные возможности:
- наглядное представление заданного технологического комплекса промышленного объекта и системы  ЭХЗ, используемой для противокоррозионной защиты объекта;
- создание токов катодной защиты;
- создание защитного потенциала подземного сооружения;
- создание блуждающих токов;
- моделирование различных систем ЭХЗ и ситуационных задач с имитацией изменения следующих параметров, характеристик и отдельных элементов, влияющих на состояние системы ЭХЗ и защищенность объекта:
▪ технологической обвязки и пространственного  расположения объектов защиты (однониточные, многониточные, пересечения, наличие перемычек и т.д.);
▪ переходного сопротивления трубопроводов;
▪ состояния  изоляционного покрытия;
▪ расположения анодных полей и точек дренажа;
▪ количества преобразователей, включенных в систему ЭХЗ,  в том числе с имитацией аварийных ситуаций с отключением преобразователей;
▪ расположения точек дренажа;
▪ параметров изолирующих вставок (наличие/отсутствие короткого замыкания изолирующих вставок, включение/выключение блока совместной защиты изолирующей вставки, регулировка силы тока блока совместной защиты изолирующей вставки);
▪ параметров блуждающих токов (задаются ПО);
▪ параметров  защиты  «патронов» (защитных футляров) на переходах  через дороги (наличие/отсутствие металлического контакта «патрон-труба», включение защиты «патрона» от трубы через блок совместной защиты либо от протектора, регулировка силы тока цепи «протектор – труба», изменение сопротивления изоляции патрона);
▪ параметров  работы станций дренажной защиты (регулировка силы дренажного тока).
- измерение токов катодной защиты, в т.ч. дренажа и блока совместной защиты изолирующей вставки;
- измерение защитного потенциала подземного сооружения.
В комплект Стенда входит автоматизированное рабочее место (АРМ), на базе персонального компьютера (ПК) с прикладным программным обеспечением (ПО).
АРМ Стенда обеспечивает связь по проводным каналам с подключаемым оборудованием cтенда и выполняет следующие основные функции:
- сбор, обработка и хранение  данных, поступающих от оборудования стенда;
- авторизация и регистрация пользователей;
- редактирование мнемосхем и параметризация объектов;
- визуализация мнемосхем, данных и результатов анализа;
- дистанционный контроль параметров, регулирования и управления оборудованием ЭХЗ стенда;
- проведение процедуры оптимизации выходных токов СКЗ в автоматическом режиме;
- управление учебными процессами: формирование учебно – тренировочных и тестовых заданий, мониторинг и оценка выполнения заданий.
Работа стенда происходит следующим образом (обучение оптимизации режимов работы средств ЭХЗ).
Руководитель обучения моделирует на стенде систему ЭХЗ с ситуационной задачей посредством коммутации цепей имитаторов параметров, характеристик и элементов системы ЭХЗ, изменяя при этом:
- технологическую обвязку и пространственное расположение объектов;
- переходное сопротивления трубопроводов;
- расположение анодных заземлителей и точек дренажа.
Используя соответствующие переключатели режимов работы и регуляторы управления на коммутационной панели, задает:
- параметры изолирующей вставки: ток блока совместной защиты изолирующей вставки, наличие/отсутствие короткого замыкания изолирующей вставки;
- параметры защиты «патрона»: ток блока совместной защиты цепи «патрон – труба» (при защите от трубопровода) либо цепи «патрон – протектор» при защите от протектора, наличие/отсутствие металлического контакта;
- параметры дренажа (при включенной станции дренажной защиты и наличии блуждающих токов): ток дренажа;
Используя регуляторы, расположенные на макетной части стенда в местах установки КИП, задает уровень повреждений изоляционного покрытия трубопроводов и «патронов» (защитных кожухов) на переходах через дороги. Включает питание необходимых для выполнения задания преобразователей, блоков и имитаторов стенда. С применением ПО  задает характеристики блуждающих токов (при необходимости).
Вручную, либо с использованием ПО, проводит оптимизацию режимов работы СКЗ.
Выставляет выходные режимы преобразователей катодной защиты, отличные от расчетных и выдает исходные данные смоделированной системы ЭХЗ обучаемым.
Задачей обучаемого является:
- оценка защищенности смоделированного объекта при заданных режимах и условиях;
- определение необходимости в проведении оптимизации выходных режимов преобразователей катодной защиты;
- оптимальная настройка системы ЭХЗ, т.е. определение  и выставление оптимальных выходных режимов преобразователей, при которых будет осуществлена защита объекта с минимальными энергозатратами (минимальными выходными токами), в соответствии с заданными требованиями и  условиями.
При этом стенд обеспечивает два варианта работы обучаемого при настройке и оптимизации смоделированной системы ЭХЗ объекта:
- посредством ручного управления преобразователями катодной защиты, регулировки и выставления выходных режимов преобразователей с последующим измерением защитного потенциала с помощью универсального мультиметра (либо контролем по встроенным индикаторам потенциала);
- посредством применения ПО системы дистанционного коррозионного мониторинга и управления, которая позволяет дистанционно управлять выходными режимами преобразователей и контролировать защищенность объекта с автоматизированного рабочего места.
Для контроля правильности действий обучаемого служат рассчитанные в ПО оптимальные выходные токи преобразователей катодной защиты.
В ПО предусмотрен автоматизированный контроль и оценка действий обучаемых.
После разбора и разъяснения допущенных обучаемым ошибок руководитель обучения моделирует на учебном стенде новую практическую ситуацию и предлагает обучаемому повторно рассчитать и выставить оптимальные значения выходных токов системы ЭХЗ.
В результате, обучаемый на примере конкретного производственного объекта и в ситуации, максимально приближенной к реальным условиям эксплуатации, имеет возможность неограниченное количество раз отработать и совместно с коллегами разобрать практические действия по настройке параметров работы системы ЭХЗ. Кроме того, стенд позволяет проводить объективный контроль процесса обучения и проверки знаний.