СПОСОБ ПОСТОЯННОГО КОНТРОЛЯ ЦЕЛОСТНОСТИ ЦЕПЕЙ УПРАВЛЕНИЯ КРАНАМИ ТРУБОПРОВОДОВ И СХЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR PERMANENT MONITORING OF PIPELINE VALVE CONTROL CIRCUIT INTEGRITY AND SCHEME FOR ITS IMPLEMENTATION

Предложенные способ и схема относятся к области автоматизации управления пневмогидроприводами охранных или запорных кранов (далее по тексту краны), устанавливаемых на трубопроводах. Схема применима к кранам, управление которыми осуществляется системой линейной телемеханики (ЛТМ) или автоматизированной системой управления технологическими процессами (АСУ ТП) магистральных, промысловых: газопроводов и продуктопроводов (далее по тексту трубопроводов), обеспечивает постоянный, автоматический контроль целостности электрических цепей управления кранами, позволяет производить одновременно контроль целостности цепей управления и управлять краном.
Краны устанавливаются на трубопроводах с целью отсечения аварийного участка, для остановки транспорта продукта и локализации аварийного участка.
Краны, в основном, оснащены двумя видами управления:
- автономное управление - управление краном осуществляется в автоматическом режиме, посредством автомата аварийного закрытия крана (ААЗК) и блоком управления электропневматическим (БУЭП) по пневматическим или гидравлическим сигналам контроля технологических параметров транспортировки продукта [1] Д.Ф.Гуревич, О.Н.Заринский, Ю.К.Кузьмин. Справочник по арматуре для газо- и нефтепроводов. Ленинград: "Недра", Ленинградское отделение, 1988 г. Глава 9, стр.388-412; [2] Техническая документация. Система обнаружения автомата аварийного с разделением сред закрытия с цифровой регулировкой для жидкостей и газопроводов высокого давления, работающий при низких температурах. Via Gandini 4, 27058 Voghera (Pavia) Italy Tel. +39-0383.343311 Telefax +39-0383.62289-366105. 2012 г.];
- дистанционное управление - управление краном осуществляется системой линейной телемеханики. В этом режиме, управление краном осуществляют электрическим сигналом, который формирует контроллер линейной телемеханики. Электрический сигнал подается на электромагнитный клапан, расположенный в БУЭП. В свою очередь, электромагнитный клапан формирует пневматический сигнал управления краном.
Известная система телемеханики «Магистраль-1» [3]. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ЗИО.239.006 ТО Блоки БК. Телемеханика «Магистраль-1». ВНПО «Союзгазавтоматика», СКБ «Газприборавтоматика» 1988 г.] укомплектована блоками управления кранами БК-22÷БК-25, которые предназначены для формирования электрических команд управления кранами и осуществления автоматического контроля целостности цепей управления. В ней устройством контроля является высокоомная обмотка реле К1 блока БК-22, представлена на фиг 1. Высокоомная обмотка I реле А2:К1 включена последовательно с обмоткой электромагнитного клапана ЭО. В исходном состоянии при исправности цепей управления, реле А2:К1 находится в сработанном состоянии и его контакты А2:К1 формируют сигнал о целостности цепей управления. Электромагнитный клапан ЭО не срабатывает, так как величина его тока срабатывания значительно выше тока срабатывания реле А2:К1, имеющего высокоомную обмотку. При возникновении обрыва в цепи управления или обрыва катушки электромагнитного клапана ЭО, реле А2:К1 обесточивается, его контакты А2:К1 размыкаются и этим формируется сигнал о неисправности.
При управлении краном ток включения электромагнитного клапана ЭО проходит через токовую обмотку II реле А2:К1. Электромагнитный клапана ЭО срабатывает, а реле А2:К1 остается в сработанном состоянии за счет тока в токовой обмотке II реле А2:К1. Токи срабатывания электромагнитного клапана ЭО и токовой обмотки II реле А2:К1 равны. В этом режиме контакты А2:К1 также формируют сигнал о целостности цепей управления так как реле А2:К1 находится в сработанном состоянии за счет протекания тока по токовой обмотки II реле А2:К1. При наладке выравнивание токов срабатывания электромагнитного клапана ЭО и токовой обмотки II реле А2:К1 производят перепайкой перемычек ХВ1.
В блоках БК-23÷БК-25 применяется аналогичный принцип контроля целостности электрических цепей дистанционного управления краном, как и в описанном выше блоке БК-22.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению (прототипом) является автоматизированная система управления газоконденсатонефтепроводов Павловского коридора [4] Пояснительная записка рабочей документации АСУ ТП «Ремонт средств телемеханики, энергоснабжения связи, приводов и ААЗК газоконденсатонефтепроводов Павловского коридора» 57295386. 000.11. 10.046. П2, 2010 г.Оренбург, (лист 56, приложение 25), в которой реализуется способ проверки цепей телеуправления, включающий режим контроля или режим управления, выбор цепей управления, формируется сигнал о целостности цепи и осуществляется управление краном. Проверка цепей телеуправления краном производится контроллером телемеханики СТН-3000, путем переключения цепей управления краном от модуля телеуправления к модулю телесостояния. Формирование сигнала о целостности цепи осуществляется при контроле протекания тестового тока по цепи телеуправления краном (см. фиг.2). Средством контроля является дискретный вход модуля телесостояния (ТС) контроллера СТН-3000. Если цепи управления исправны, то протекающий по ним тестовый ток формирует в модуле телесостояния «единичное» значение, а при неисправных цепях телеуправления тестовый ток отсутствует и формируется «нулевое» значение. Соответственно на программном уровне контроллера фиксируется исправность или неисправность данного канала управления.
Работу схемы Фиг.2 проверки цепей телеуправления крана рассмотрим на примере канала управления «Открыть»:
- в исходном состоянии напряжение источника питания 110 В подается на нормально замкнутый контакт Кдоп и далее на контакты реле управления краном К1 и К2. При разомкнутых контактах К1 и К2 цепи управления обесточены, а кран находится в режиме ожидания;
- в режиме контроля целостности цепей управления «Открыть» контроллер формирует сигнал на тестирование, реле модуля телеуправления ТУ3 срабатывает и переключает контакт Кдоп. Напряжение 110 В отключается, а напряжение 24 В от источника 24 В через переключившийся контакт Кдоп подается на контакты реле управления краном К1 и К2. Схема подготовлена для тестирования цепей управления;
- контроллер формирует сигнал на открытие крана и реле модуля телеуправления ТУ1 срабатывает, замыкая контакт К1. По цепи от источника напряжение 24 В через внутреннее сопротивление модуля телесостояния ТС1, замкнутого контакта Кдоп и К1, обмотку электромагнитного клапана «Открыть» протекает тестовый ток контроля порядка 5 мА. Тестовый ток контролируется модулем телесостояния ТС1, если его величина находится на уровне 5 мА, то в модуле телесостояния ТС1 формируется «единичное» значение. Контроллер, в свою очередь, формирует сигнал о целостности цепи телеуправления. Если тестовый ток отсутствует, то в модуле телесостояния ТС1 формируется «нулевое» значение, и контроллер формирует сигнал о неисправности цепи телеуправления;
- по окончании периода контроля цепей управления контроллер снимает сигнал на тестирование, реле модуля телеуправления ТУ3 отпускает контакт Кдоп и схема возвращается в исходное состояние.
На программном уровне в контроллере должна быть реализована четкая блокировка одномоментного переключения контактов Кдоп и К1. В противном случае при переходе из режима тестирования (переключение Кдоп) и замкнутом контакте К1 произойдет самопроизвольное срабатывание электромагнитного клапана и крана в целом.
При контроле целостности цепей управления «Закрыть» контроллер формирует сигнал на тестирование, аналогичный для цепи управления «Открыть». Разница в том, что вместо реле модуля телеуправления ТУ1 включается модуль телеуправления ТУ2, который замыкает контакт К2, и по цепи электромагнитного клапана «Закрыть» протекает тестовый ток.
Во время тестирования электромагнитный клапан не включается, так как по цепи телеуправления протекает тестовый ток контроля не более 5 мА, который значительно ниже рабочего тока электромагнитного клапана «150 мА для электромагнитного клапана 110 В и 730 мА для электромагнитного клапана 24 В» [4]. Величина тестового тока ограничивается большим внутренним сопротивлением модуля ТС1 и низким напряжением питания 24 В, используемым для тестирования.
В связи с тем, что в период тестирования производится переключение цепей управления краном от модуля телеуправления ТУ1 к модулю телесостояния ТС1, управление краном невозможно, так как источник 110 В для питания электромагнитного клапана отключается контактом Кдоп. Соответственно в процессе управления краном невозможно тестирование цепей управления, так как модуль телесостояния ТС1 отключен от цепей управления контактом Кдоп.
«Проверка цепей управления электромагнитного клапана производится периодически в автоматическом режиме, один раз в сутки или по команде оператора. Время и периодичность проверки в автоматическом режиме можно изменить программным путем» [4] (лист 56, приложения 25).
В обоих известных описанных технических решениях реализован единый принцип контроля целостности цепей управления краном, который основан на контроле прохождения тестового тока (тока не достаточного для срабатывания электромагнитного клапана) по цепям управления. Элементом контроля в телемеханике «Магистраль-1», является высокоомная обмотка I реле А2:К1, а в контроллере СТН-3000 - модуль телесостояния ТС1.
Прототип имеет следующие недостатки:
- проверка цепей управления электромагнитного клапана производится периодически;
- невозможно одновременно осуществлять контроль целостности цепей управления и управлять краном. Схема прототипа позволяет либо контролировать цепи, либо управлять краном;
- присутствуют элементы, которые уменьшают надежность схемы управления, к ним относятся реле модуля ТУ3, с подвижным механическим контактом Кдоп;
- эпизодически происходит ложное срабатывание электромагнитного клапана при тестировании схемы управления, что в ряде случаев приводило к самопроизвольному закрытию/открытию крана.
Существует практическая задача, решение которой позволит осуществить постоянный контроль целостности цепей управления краном и одновременно управлять краном, при повышении надежности схемы управления.
Поставленная задача решается способом постоянного контроля целостности цепей управления кранами трубопроводов, включающим режим контроля, режим управления, выбор цепи управления, формирование сигнала о целостности цепи и электрической команды управления и осуществление управления краном, в котором согласно изобретению, контроль осуществляют измерением напряжения на концах нормально разомкнутого контакта реле управления электромагнитным клапаном посредством модуля телеизмерения контроллера телемеханики, а сигнал о целостности цепи формируют при сравнении этого напряжения, со значением напряжения порога срабатывания контроллера, хранящимся в памяти контроллера. Заявляемый способ осуществляется посредством схемы постоянного контроля целостности цепей управления кранами трубопроводов, включающей контроллер линейной телемеханики с элементами контроля и модулями телеуправления, источник питания, а также кран с электромагнитными клапанами, связанные цепями управления, в котором согласно изобретению контроллер линейной телемеханики в качестве элементов контроля содержит модули телеизмерения и преобразователи, а в памяти контроллера записано значение напряжения порога его срабатывания.
На фиг.1 представлена схема управления краном с блоком БК-22, ЛТМ «Магистраль 1» [3], на фиг.2 - схема проверки цепей телеуправления кранами по прототипу [4], на фиг.3 - предлагаемая схема постоянного контроля целостности цепей управления кранами трубопроводов. На фиг.3 обозначены следующие позиции: (1) - контрольный пункт телемеханики; (2) - контроллер линейной телемеханики; (3), (4) - модули телеизмерения; (5), (6) - модули телеуправления; (7) - кран управления трубопроводом; (8) - контакт реле модуля телеуправления, управляет электромагнитным клапаном «открыть»; (10) - контакт реле модуля телеуправления, управляет электромагнитным клапаном «закрыть»; (9) - электромагнитный клапан «открыть»; (11) электромагнитный клапан «закрыть»; (12), (13) - преобразователи; (14) - источник питания 110 В.
Представленный в данном изобретении способ предлагается реализовать при автоматизации управления пневмогидроприводами охранных или запорных кранов, устанавливаемых на трубопроводах. Для его внедрения необходимо выполнить предлагаемую схему и на программном уровне контроллера реализовать обработку операций способа по соответствующим алгоритмам. Операции способа измеряют напряжение на концах нормально разомкнутого контакта реле управления электромагнитным клапаном посредством модуля телеизмерения контроллера телемеханики, сравнивают его со значением напряжения порога срабатывания контроллера, хранящимся в памяти контроллера, формируют сигнал о целостности цепи. В зависимости от режима - контроля, управления или совмещенного (контроль и управление) этапы операции формируют различные сигналы о целостности цепи по соответствующим алгоритмам, обрабатывающим три типа неисправностей и исправного состояния. Алгоритмы работы схемы подробно представлены ниже.
Сущность предложения заключается в том, что в нормальном состоянии контакт (8) реле модуля телеуправления (6) электромагнитным клапаном (9) находится в разомкнутом состоянии, и на контактах (8) реле модуля телеуправления (6) присутствует напряжение, равное рабочему напряжению питания электромагнитного клапана (9). Напряжение на контактах (8) модуля телеуправления (6) имеет номинальное значение в том случае, если исправен блок питания электромагнитного клапана (14), цепи управления и обмотка электромагнитного клапана (9) не имеют обрыва, контакт (8) не залип. В случае неисправности блока питания (14), обрыва цепей управления или обмотки электромагнитного клапана (9), залипания контакта (8) напряжение станет равно нулю. Наличие или отсутствие напряжения на контактах (8) реле модуля телеуправления (6) является соответственно признаком исправности или не исправности цепей управления.
Контроль напряжения предлагается осуществлять модулем телеизмерения (3), который находится в составе контроллера телемеханики (2). Согласование величины измеряемого напряжения с величиной и типом входного сигнала модуля телеизмерения (3) осуществляется преобразователем (13).
Сущность функционирования способа рассмотрим на предлагаемой схеме проверки цепей управления краном (Фиг.3) и схемы проверки цепей управления краном прототипа (Фиг.2) на примере канала управления «Открыть».
Предложенная схема (Фиг.3) работает по следующим алгоритмам:
1. Период режима контроля. Кран (7) закрыт, цепи управления в работоспособном состоянии. В этом случае на концах контакта (8) реле модуля телеуправления (6) присутствует напряжение 110 В, так как контакт (8) находится в разомкнутом положении. Напряжение 110 В формируется источником питания (14) для питания электромагнитных клапанов (9) и (11);
2. Напряжение 110 В с контакта (8) реле модуля телеуправления (6) подается на вход преобразователя (13). Напряжение 110 В преобразуется преобразователем (13) в сигнал - «унифицированный сигнал 0-10 В» и подается на вход модуля телеизмерения (3);
3. При наличии сигнала «унифицированный сигнал 0-10 В» в пределах 7-10 В на входе модуля телеизмерения (3), контроллер (2) формирует сигнал об исправности цепей управления;
4. Цепи управления исправны, схема в ожидании команды управления краном (7) - «Открыть»;
5. В период режима управления краном (7) «Открыть» контроллер (2) формирует сигнал на открытие крана (7). Модуль телеуправления (6) замкнет контакт (8) и электромагнитный клапан «Открыть» (9) сработает, кран (7) начинает открываться;
6. Замкнувшийся контакт (8) уменьшит напряжение 110 В до нулевого значения на своих концах и на входе преобразователя (13);
7. На выходе преобразователя (13) и входе модуля телеизмерения (3) сигнал - «унифицированный сигнал 0-10 В» уменьшится до нуля. Модуль телеизмерения (3) в этот период передает контроллеру (2) нулевое значение сигнала. В период режима управления краном в отличие от режима контроля, контроллер (2) не формирует сигнал о неисправности цепей управления, так как замыкание контакта (8) является необходимым условием в период режима управления краном (7);
8. Уменьшение напряжения 110 В в период режима управления краном (7) сигнализирует о нормальной работе модуля телеуправления (6) и его контакта (8). Данный контроль в прототипе отсутствовал;
9. После того как кран (7) откроется контроллер (2) снимает сигнал на открытие крана (7) и модуль телеуправления (6) размыкает контакт (8), на концах которого вновь появляется напряжение 110 В;
10. По вновь появившемуся напряжению 110 В на концах контакта (8) контроллер (2) вновь сформирует сигнал об исправности цепей управления в соответствии с пп 1-4 настоящего алгоритма;
11. Обнаружение неисправности типа I. В случае если кран (7) открылся, контроллер (2) снял сигнал на открытие крана (7), а размыкание контакта (8) не произошло (контакт (8) подгорел или залип), то на его концах не появится напряжение 110 В. На входе преобразователя (13) напряжение также будет равно нулю;
12. На выходе преобразователя (13) и входе модуля телеизмерения (3) сигнал «унифицированный сигнал 0-10 В» будет равен нулю. Модуль телеизмерения (3) в этом случае передает контроллеру (2) нулевое значение сигнала и контроллер (2) формирует сигнал о неисправности цепи управления краном;
13. Обнаружение неисправности типа II. При возникновении неисправности в блоке питания 110 В (14), обрыва цепей управления или катушки электромагнитного клапана (9), напряжение на контакте (8) станет равно нулю. Формируется сигнал о неисправности цепи управления краном в соответствии с п. 12 настоящего алгоритма. Контроль блока питания 110 В (14) в прототипе отсутствовал;
14. Обнаружение неисправности типа III. В период подачи контроллером (2) команды управления краном (7) «Открыть», изменение напряжение на концах контакта (8) не произошло, из-за неисправности модуля телеуправления (6) или контакта (8), то контроллер (2) формирует сигнал о неисправности цепей управления краном. Данный контроль в прототипе отсутствовал.
Контроль цепей управления краном по каналу «Закрыть» производится аналогично описанному выше. В этом режиме будут задействованы следующие элементы схемы: контакты (10) реле модуля телеуправления (5), преобразователь (12), модуль телеизмерения (4), электромагнитный клапан (11). Контроллер (2), источник питания 110 В (14) и кран (7) остаются прежними.
В предложенной схеме тип преобразователей (12); (13) не является принципиальным и полностью зависит от практических схем управления краном. В частном случае при применении в качестве описанного модуля телеизмерения (3), (4) - модуля с унифицированным входным сигналом 0-10 В, можно использовать простой резистивный делитель.
Величина порога срабатывания, при котором контроллер (2) определяет исправность или не исправность цепей, подбирается при наладке системы телемеханики на программном уровне. Порог срабатывания хранится в памяти контроллера в виде определенной константы (уставки). Если напряжение на входе модуля телеизмерения (3) выше константы, то контроллер (2) формирует сигнал об исправности цепей управления. Если напряжение на входе модуля телеизмерения (3) ниже константы, то контроллер (2) формирует сигнал о неисправности цепей управления. Подбор величины порога срабатывания определяется необходимой чувствительностью элементов контроля цепей управления краном и минимальным напряжением срабатывания электромагнитного клапана.
Предложенная схема в сравнении с прототипом имеет ряд преимуществ, которые обеспечивают:
- постоянный автоматический контроль целостности электрических цепей управления краном за счет: того что элементы контроля и управления крана постоянно подключены к контроллеру, источнику питания и функционируют независимо;
- возможность производить одновременно контроль целостности цепей управления и управлять краном, благодаря отсутствию коммутации элементов схемы при переходе из режима контроля цепей управления в режим управления краном, посредством модуля телеуправления ТУ3 с контактом Кдоп (Фиг.2);
- сокращение количества элементов с механически подвижными контактами, за счет исключения модуля телеуправления ТУ3 с подвижным механическим контактом Кдоп (Фиг.2);
- устранение самопроизвольного закрытия или открытия крана, за счет исключения модуля телеуправления ТУ3 с контактом Кдоп, и исключения необходимости в применении блокировки одномоментного переключения контактов Кдоп и К1 или Кдоп и К2 (Фиг.2). Кроме того, исключение механически подвижных контактов Кдоп повышает надежность цепи управления краном (7).
Технико-экономический эффект при применении предлагаемого способа и схемы заключается в повышении надежности управления краном, а соответственно повышается надежность эксплуатации трубопроводов. Повышение надежности обеспечивается за счет постоянного, автоматического контроля целостности электрических цепей управления кранами, за счет возможности производить одновременно контроль целостности цепей управления и управлять краном. Режим управления краном не зависит от режима тестирования цепей управления, режимы выполняются параллельно. Появляется дополнительная опция контроля целостности цепей управления и работоспособности оборудования непосредственно в период управления краном. При наладке есть возможность регулировать чувствительность элементов контроля цепей управления краном. Устраняются ложные срабатывания крана, что исключает несанкционированную остановку транспорта продукта по трубопроводу.
Список источников информации:
[1] Д.Ф.Гуревич, О.Н.Заринский, Ю.К.Кузьмин. Справочник по арматуре для газо- и нефтепроводов. Ленинград: "Недра", Ленинградское отделение, 1988 г. Глава 9, стр.388-412
[2] ТЕХНИЧЕСКАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ. СИСТЕМА ОБНАРУЖЕНИЯ АВТОМАТА АВАРИЙНОГО С РАЗДЕЛЕНИЕМ СРЕД ЗАКРЫТИЯ С ЦИФРОВОЙ РЕГУЛИРОВКОЙ ДЛЯ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОПРОВОДОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ, РАБОТАЮЩИХ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ. Via Gandini 4, 27058 Voghera (Pavia) Italy Tel. +39-0383.343311 Telefax +39-0383.62289-366105. 2012 г.
[3] Техническое описание и инструкция по эксплуатации 3ИО.239.006 ТО Блоки БК. Телемеханика «Магистраль-1». ВНПО «Союзгазавтоматика», СКБ «Газприборав-томатика» 1988 г.
[4] Пояснительная записка рабочей документации АСУ ТП «Ремонт средств телемеханики, энергоснабжения связи, приводов и ААЗК газоконденсатонефтепроводов Павловского коридора» 57295386.000.11. 10.046. П2, 2010 г.Оренбург, (лист 56, приложение 25).