ГАЛЬВАНИЧЕСКИ РАЗВЯЗАННАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ УДАЛЕННЫМИ ОБЪЕКТАМИ

Полезная модель относится к области автоматики и телемеханики, а именно к гальванически развязанным устройствам и системам контроля и управления удаленными объектами с помощью комплексов телемеханики
(ТМ), где объектами управления являются станции катодной защиты (СКЗ) магистральных газопроводов.
Следует подчеркнуть, что современные СКЗ включают в себя основное устройство - выпрямитель с блоком управления и дополнительные устройства - три датчика: датчик электрохимического потенциала (ДЭХП); датчик поляризационного потенциала (ДПП); датчик коррозии (ДК).
Известны аналоги - устройства, называемые заводом изготовителем «платы ПС» - платы сопряжения, они предназначены для сопряжения СКЗ с ТМ и входят в комплект выпрямителей, см. «Выпрямитель типа В-ОПЕ-ТМ-1. серия Б1. Руководство по эксплуатации ИЖСК.435211.002 РЭ. г.Ставрополь, ОАО «Сигнал», 2001 г.». ОАО «Сигнал» выпускает шесть типов выпрямителей с блоком управления (В-ОПЕ-ТМ-1-20-12; В-ОПЕ-ТМ-1-25-24; В-ОПЕ-ТМ-1-42-24; В-ОПЕ-ТМ-1-42-48; В-ОПЕ-ТМ-1-63-48; В-ОПЕ-ТМ-1-100-48), которые имеют одну принципиальную электрическую схему, но различные напряжения на выходе и токи нагрузки (защиты). Эти шесть типов выпрямителей с блоками управления ОАО «Сигнал» комплектует тремя типами «Плат ПС», которые имеют одну принципиальную электрическую схему, но различные по величине однотипные параметры.
«Плата ПС» имеет три однотипных канала, каждый из которых содержит по три операционных усилителя типа КР140УД708 и два эмиттерных повторителя на транзисторах различных типов в зависимости от величины параметров выпрямителя СКЗ, передаваемых в ТМ. «Плата ПС» способна выполнять следующие три функции: преобразовывать выходное напряжение выпрямителя СКЗ в стандартный для ТМ интервал тока 4-20 мА и передавать его в ТМ; преобразовывать ток нагрузки (защиты) выпрямителя СКЗ в интервал тока 4-20 мА и передавать его в ТМ; преобразовывать напряжение ДЭХП СКЗ в стандартный интервал тока 4-20 мА и передавать этот ток в ТМ.
Недостатками указанных аналогов являются:
1) нет функции включения и выключения СКЗ через ТМ;
2) отсутствует функция контроля величины сопротивления ДК и величины потенциала ДПП через ТМ;
3) нет возможности задавать ток нагрузки (защиты) СКЗ через ТМ, запоминать его значение при отключении электропитания и без воздействия ТМ автоматически восстанавливать величину заданного тока нагрузки при включении;
4) реализована возможность контроля только части параметров СКЗ, но отсутствует возможность управления СКЗ от ТМ;
5) СКЗ и ТМ гальванически связаны;
6) у оператора ТМ отсутствует информация о величине потребленной электроэнергии удаленными СКЗ, включенными в контур ТМ;
7) обслуживающий персонал не может получать цифровую информацию о величине электрохимического потенциала непосредственно на СКЗ при ее техническом обслуживании и ремонте.
Наиболее близким техническим решением - прототипом, является гальванически развязанная система контроля и управления, опубликованная в статье: Ю.М.Агафонов, Н.С.Акиншин и др. Система контроля управления и согласования СКЗ с комплексами телемеханики // Газовая промышленность. - 2007. - №7. - С.58-61. Ксерокопия статьи приложена к описанию полезной модели.
Прототип содержит шесть основных блоков: шестиканальный блок измерения и нормализации; шестиканальный блок преобразования и гальванической развязки; шестиканальный блок формирования стандартных сигналов (далее при рассмотрении прототипа и полезной модели в перечисленных трех блоках слово «шестиканальный» будем опускать); блок контроллера тока нагрузки; оптоэлектронный переключатель; блок подключения ДК в цепь измерения.
Прототип может работать в двух режимах: режиме контроля параметров СКЗ и режиме управления СКЗ по ТМ.
Прототип в режиме контроля параметров СКЗ по ТМ имеет пять информационных каналов: контроля напряжения ДЭХП; контроля напряжения ДПП; контроля напряжения СКЗ; контроля тока нагрузки (защиты) СКЗ; контроля сопротивления ДК в ждущем режиме (шестой канал используется в режиме управления). Принцип работы канала контроля напряжения ДЭХП сводится к следующему: напряжение ДЭХП интервала от 0 до -5 В поступает на блок измерения и нормализации, где преобразуется в нормированное выходное напряжение интервала 2-10 В; нормированное постоянное напряжение интервала 2-10 В поступает на блок преобразования и гальванической развязки, где преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов с частотой интервала 2-10 кГц, соответственно, которые подаются на светодиод оптронной пары «светодиод - фототранзистор»; фототранзистор оптронной пары является входом блока формирования стандартных сигналов, где последовательность прямоугольных импульсов интервала 2-10 кГц, сформированная фототранзистором, последовательно преобразуется в постоянное напряжение интервала 2-10 В, а затем в стандартный интервал постоянного тока 4-20 мА, который и поступает в ТМ. Работа остальных четырех каналов контроля параметров аналогична рассмотренному, только есть разница в диапазоне напряжений, поступающих на вход блока измерения и нормализации.
Прототип в режиме управления СКЗ по ТМ выполняет следующие три функции управления: включение в работу и выключение СКЗ осуществляется оптоэлектронным переключателем; подключение в цепь контроля ДК с помощью блока подключения ДК в цепь измерения падения напряжения на нем; задание требуемой величины тока нагрузки (защиты) СКЗ, его регулирование и восстановление заданного значения тока при снятии электропитания и последующем его восстановлении осуществляется блоком контроллера тока нагрузки, выполненном на микроконтроллере PIC16F628 (в этом режиме и используется шестой канал блоков измерения и нормализации, преобразования и гальванической развязки, формирования стандартных сигналов).
Прототип лишен первых пяти недостатков, присущих аналогам, но у него остаются два последних существенных недостатка:
1) у оператора ТМ отсутствует информация о величине потребленной электроэнергии удаленными СКЗ, включенными в контур ТМ;
2) обслуживающий персонал не может получать цифровую информацию о величине электрохимического потенциала непосредственно на СКЗ при ее техническом обслуживании и ремонте.
Необходимость проведения работ по устранению этих двух недостатков подчеркивают МОСТРАНСГАЗ, Тульское УМГ и ряд других региональных УМГ.
Предлагаемой полезной моделью решается задача расширения функциональных возможностей гальванически развязанной системы контроля и управления удаленными объектами, обеспечивающая возможность оператору (диспетчеру) ТМ получать оперативную информацию о величине потребленной электроэнергии каждой СКЗ, обеспечивающей работу магистрального газопровода и входящей в контур ТМ, а обслуживающему персоналу получать цифровую информацию о величине электрохимического потенциала непосредственно на СКЗ при ее техническом обслуживании и ремонте.
Поставленная задача достигается тем, что в гальванически развязанную систему контроля и управления удаленными объектами, содержащую блок измерения и нормализации к шести входам которого подключены датчик электрохимического потенциала, датчик поляризационного потенциала, выход блока подключения датчика коррозии, выходное напряжение станции катодной защиты, токовый шунт станции катодной защиты и выход блока контроллера тока нагрузки, а шесть выходов которого подключены к шести входам блока преобразования и гальванической развязки, выходы которого через шесть оптоэлектронных пар связаны со входами блока формирования стандартных сигналов, пять выходов которого соединены с телемеханикой, а шестой подключен к блоку управления выпрямителя станции катодной защиты, вход блока контроллера тока нагрузки соединен с телемеханикой, оптоэлектронный
переключатель выходом подключен к станции катодной защиты, а входом соединен с телемеханикой, управляющий вход блока подключения датчика коррозии соединен с телемеханикой, а измерительный вход подключен к датчику коррозии, введены блок контроллера потребленной станцией катодной защиты электроэнергии, выполненный на микроконтроллере, и девятиразрядный семисегментный знаковый индикатор, две линии порта микроконтроллера, настроенные на асинхронный приемопередатчик, соединены с телемеханикой, линия порта, настроенная на вход, подключена к оптоэлектронной паре счетчика электроэнергии выпрямителя станции катодной защиты, линия порта, настроенная на вход аналогоцифрового преобразователя микроконтроллера, соединена с выходом электрохимического потенциала блока формирования стандартных сигналов, а семнадцать линий портов, настроенные на выход, подключены к девятиразрядному семисегментному знаковому индикатору.
За счет включения в гальванически развязанную систему контроля и управления удаленными объектами блока контроллера потребленной СКЗ электрической энергии и девятиразрядного семисегментного знакового индикатора: во-первых, оператору комплекса ТМ обеспечена возможность получать оперативную информацию о величине потребленной электрической энергии удаленными СКЗ, включенными в контур ТМ, по каналу асинхронного приемопередатчика USART микроконтроллера блока контроллера потребленной СКЗ электрической энергии, подключенного к асинхронному приемопередатчику комплекса ТМ, кроме того, эта информация высвечивается в семи младших разрядах девятиразрядного семисегментного знакового индикатора; во-вторых, реализована возможность обслуживающему персоналу оперативно получать цифровую информацию о величине электрохимического потенциала непосредственно на СКЗ при ее техническом обслуживании и ремонте, эта информация выводится на два старших разрядах девятиразрядного семисегментного знакового индикатора.
На фиг. изображена блок-схема гальванически развязанной системы контроля и управления удаленными объектами с блоками СКЗ, которую она обслуживает, и обслуживающим постом комплекса ТМ.
Гальванически развязанная система контроля и управления удаленными объектами (далее система) включает в себя (см. фиг.) корпус системы 1, в котором размещены: блок измерения и нормализации 2, шесть выходов которого подключены к шести входам блока преобразования и гальванической развязки 3, выходы которого через шесть оптоэлектронных пар связаны с шестью входами блока формирования стандартных сигналов 4; блок контроллера тока нагрузки 5, выход которого соединен с нижним по схеме входом блока измерения и нормализации 2; оптоэлектронный переключатель 6; блок подключения датчика коррозии 7, выход которого подключен к третьему сверху по схеме входу блока измерения и нормализации 2; блок контроллера потребленной СКЗ электроэнергии 8, выполненный на микроконтроллере, линия порта которого настроенная на вход аналогоцифрового преобразователя, соединена с верхним по схеме выходом блока формирования стандартных сигналов 4, а семнадцать линий портов, настроенные на выход, подключены к девятиразрядному семисегментному знаковому индикатору 9; кроме системы 1-9 на фиг. показан пост комплекса ТМ 10, пять аналоговых входов которого подключены к пяти верхним по схеме выходам блока формирования стандартных сигналов 4, верхний выход ТМ подключен ко входу блока контроллера тока нагрузки 5, средний выход ТМ соединен с управляющим входом блока подключения датчика коррозии 7, нижний выход ТМ подключен ко входу оптоэлектронного переключателя 6, а канал асинхронного приемопередатчика ТМ (TX-RX) подключен к каналу асинхронного приемопередатчика блока контроллера потребляемой СКЗ электроэнергии 5 (RX-TX, соответственно); кроме системы 1-9 и поста комплекса ТМ 10 на фиг. показаны блоки СКЗ: датчик электрохимического потенциала 11, подключенный к верхнему по схеме входу блока измерения и нормализации 2; датчик поляризационного потенциала 12, подключенный ко второму сверху
по схеме входу блока измерения и нормализации 2; датчик коррозии 13, подключенный к измерительному входу блока подключения датчика коррозии 7; выпрямитель 14 со своим блоком управления, два верхних по схеме выхода (выходное напряжение и ток нагрузки - падение напряжения на токовом шунте) которого подключены к четвертому и пятому сверху по схеме входам блока измерения и нормализации 2, нижний по схеме выход (оптоэлектронная пара счетчика электроэнергии выпрямителя 14) соединен с настроенной на вход линией порта блока контроллера потребленной СКЗ электроэнергии 8; верхний вход выпрямителя 14 соединен с нижним по схеме выходом блока формирования стандартных сигналов 4, а нижний вход подключен к выходу оптоэлектронного переключателя 6.
Система (полезная модель) в режиме контроля параметров СКЗ по ТМ имеет пять информационных каналов (см. фиг.): контроля напряжения ДЭХП 11; контроля напряжения ДПП 12; контроля напряжения выпрямителя 14 СКЗ; контроля тока нагрузки - падения напряжения на токовом шунте выпрямителя 14 СКЗ; контроля сопротивления ДК 13 в ждущем режиме. Принцип работы канала контроля напряжения ДЭХП сводится к следующему: напряжение ДЭХП 11 интервала от 0 до -5 В поступает на блок измерения и нормализации 2 (принципиальные электрические схемы блока 2 по всем шести входам-выходам однотипны и в основу их положены повторители и усилители напряжения на операционных усилителях К140УД708, но с различными коэффициентами усиления и начальными смещениями), где преобразуется в нормированное для блока 2 выходное напряжение интервала 2-10 В; далее нормированное постоянное напряжение интервала 2-10 В поступает на блок преобразования и гальванической развязки 3 (блок 3 имеет по всем шести входам-выходам одинаковые параметры и одну принципиальную электрическую схему преобразователя «напряжение-частота» на ИМС КР1108ПП1, нагруженного на светодиод оптрона АОТ128А), где преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов с частотой интервала 2-10 кГц, соответственно, которые подаются на светодиод оптрона
АОТ128А; фототранзистор оптрона АОТ128А является входом блока формирования стандартных сигналов 4 (блок 4 по всем входам-выходам имеет одинаковые параметры и одну принципиальную электрическую схему преобразователя «частота-напряжение» на ИМС КР1108ПП1 и преобразователя «напряжение-ток» на операционном усилителе К140УД708 и транзисторе КТ3102Г), где последовательность прямоугольных импульсов интервала 2-10 кГц, сформированная фототранзистором, последовательно преобразуется в постоянное напряжение интервала 2-10 В, а затем в стандартный интервал постоянного тока 4-20 мА, который и поступает в ТМ. Работа остальных четырех каналов контроля параметров СКЗ аналогична рассмотренному до настоящего момента принципу работы канала контроля, только есть разница в диапазоне напряжений, поступающих на вход блока измерения и нормализации 2. Особенностью рассмотренного канала является подача выходного сигнала электрохимического потенциала с верхнего по схеме выхода блока формирования стандартных сигналов 4 на блок контроллера потребленной СКЗ электроэнергии 8, выполненный на микроконтроллере PIC16F874, на линию порта которого настроенную на вход аналогоцифрового преобразователя и подается сигнал с блока 4. Микроконтроллер PIC16F874 имеет EEPROM (электрически перепрограммируемую) память данных, SRAM память данных и FLASH (электрически перепрограммируемую) память программ, в которой записан алгоритм работы микроконтроллера. Обработав информацию со входа аналогоцифрового преобразователя по заданному алгоритму микроконтроллер блока 8 подает сигналы на разделенные децимальной точкой два старших разряда девятиразрядного семисегментного знакового индикатора 9 типа АЛС356А, таким образом, в двух старших разрядах знакового индикатора 9 высвечивается значение электрохимического потенциала. Кроме того, с оптоэлектронной пары счетчика электроэнергии выпрямителя 14 (нижний по схеме выход) подается сигнал (для всех шести типов выпрямителей ОАО «Сигнал» - 500 импульсов/кВт) в настроенную на вход линию порта микроконтроллера блока 8, который обрабатывает информацию
по заданному алгоритму и суммирует потребленную СКЗ электроэнергию в свою память данных EEPROM, с целью сохранения информации о потребленной СКЗ электроэнергии при снятии электропитания. Содержимое EEPROM памяти микроконтроллера блока 8 выводится на семь разрядов семисегментного знакового индикатора 9, при необходимости обслуживающий персонал может приводить в соответствие показания счетчика электроэнергии выпрямителя 14 СКЗ и информацию в EEPROM памяти микроконтроллера блока 8
Система (полезная модель) в режиме управления СКЗ по ТМ выполняет следующие четыре функции управления (см. фиг.): включение в работу и выключение СКЗ осуществляется оптоэлектронным переключателем 6; подключение в цепь контроля ДК 13 с помощью блока подключения ДК 7 в цепь измерения падения напряжения на нем; задание требуемой величины тока нагрузки (защиты) СКЗ, его регулирование и восстановление заданного значения тока при снятии электропитания и последующем его восстановлении осуществляется блоком контроллера тока нагрузки 5, выполненном на микроконтроллере PIC16F628, который имеет EEPROM память данных; при поступлении сигнала от передатчика ТХ поста комплекса ТМ 10 на приемник RX по одной линии порта микроконтроллера PIC16F874 блока 8, информация о потребленной выпрямителем 14 электроэнергии из EEPROM памяти данных микроконтроллера поступает в ТМ 10 по другой линии порта от передатчика ТХ микроконтроллера PIC16F874 блока 8 на приемник RX поста комплекса ТМ 10.
Применение в гальванически развязанной системе контроля и управления удаленными объектами (полезной модели) блока контроллера потребленной СКЗ электроэнергии 8, выполненного на восьмибитном микроконтроллере фирмы MicroCHIP серии PIC16F874 с FLASH памятью программ в 4 Кбайта, SRAM памятью данных в 192 байта, EEPROM памятью данных в 128 байт, и девятиразрядного семисегментного знакового индикатора 9 серии АЛС356А обеспечило расширение функциональных возможностей системы:
1) оператору (диспетчеру) ТМ обеспечена возможность получать оперативную информация о величине потребленной электроэнергии удаленными СКЗ, обеспечивающими работу магистрального газопровода и включенными в контур ТМ;
2) обслуживающий персонал может получать цифровую информацию о величине электрохимического потенциала непосредственно на СКЗ при ее техническом обслуживании и ремонте.