АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС МОНИТОРИНГА КОРРОЗИОННОЙ ЗАЩИТЫ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ
HARDWARE AND SOFTWARE SYSTEM FOR MONITORING CORROSION PROTECTION OF UNDERGROUND STRUCTURES

Изобретение относится к области автоматизированных систем мониторинга и диагностики технического состояния металлических подземных сооружений, защищенных от коррозии катодной защитой, в частности, мониторинга подземных стальных трубопроводов, и позволяет с заданной периодичностью контролировать скорости коррозии и одновременно весь спектр электрических параметров коррозионной среды, в которой находится данный участок трубопровода: переменные или постоянные напряжения и токи, поляризационный потенциал, плотности переменных и постоянных токов, ток непосредственно в трубопроводе, сопротивление растеканию переменного тока и др.
Оборудование аппаратно-программного комплекса мониторинга коррозионной защиты подземных сооружений размещено на стойках мониторинга вдоль трассы подземных коммуникаций как на линейной части магистральных трубопроводов, так и в местах пересечения с трассами других надземных и подземных коммуникаций, в местах пересечения трубопроводов с высоковольтными линиями электропередачи, местах пересечения трассы подземных коммуникаций с искусственными и естественными преградами, такими как автомобильные и железные дороги, реки и т.п.
Подземные металлические сооружения, находящиеся под катодной защитой, во многих случаях получают частичные коррозионные повреждения в виде местных язв, каверн и питтинга и требуют комплексного мониторинга за их состоянием. Для того чтобы иметь возможность выставить оптимальный уровень потенциала катодной защиты на различных участках подземного сооружения, необходимо иметь точную информацию о характеристиках коррозионной ситуации на этих участках.
Известна система видеонаблюдения за техническим состоянием магистрального газопровода, содержащая две пары оптически согласованных видеокамер и интеллектуальную контрольно-измерительную колонку, включающую в себя набор датчиков параметров, влияющих на техническое состояние магистрального газопровода, обрабатывающую аппаратуру и радиомодем, при этом выходы датчиков подключены к соответствующим входам обрабатывающей аппаратуры интеллектуальных контрольно-измерительных колонок, соединенной с управляющим входом радиомодема, отличающаяся тем, что дополнительно содержит (n-1) аналогичных интеллектуальных контрольно-измерительных колонок, расположенных с заданным пространственным шагом над магистральным газопроводом, и (n-2) пар видеокамер, при этом видеокамеры установлены вдоль линии, параллельной магистральному газопроводу с противоположных сторон корпусов колонок, причем видеокамеры соседних колонок оптически согласованы друг с другом, а выходы (n-1) наборов датчиков подключены к соответствующим входам обрабатывающей аппаратуры соответствующих колонок, где n=2, 3… (патент РФ на изобретение №2393378, опубликовано 27.06.2010, МПК F17D 5/00; G01M 3/00; F16L 55/26; «Система видеонаблюдения за техническим состоянием магистрального газопровода и интеллектуальная контрольно-измерительная колонка для ее реализации»).
В данном устройстве все интеллектуальные контрольно-измерительные пункты, входящие в систему видеонаблюдения за техническим состоянием магистрального газопровода, имеют аналогичное строение и назначение, что снижает гибкость принятия вариантов решений для разнообразных актуальных задач эксплуатации подземных сооружений.
В качестве прототипа заявляемого технического решения принята система для дистанционного мониторинга технического состояния магистрального трубопровода, содержащая стационарный интеллектуальный контрольно-измерительный пункт, включающий в себя датчики параметров, влияющих на техническое состояние магистрального трубопровода, центральный процессор, радиомодем с приемопередающей антенной, аккумуляторную батарею, соединенную с фотоэлектрическим модулем, мультиплексор и аналого-цифровой преобразователь, при этом выходы датчиков параметров, влияющих на техническое состояние магистрального трубопровода, подключены через последовательно соединенные мультиплексор и аналого-цифровой преобразователь к центральному процессору, причем выходы центрального процессора также соединены с управляемыми входами мультиплексора и радиомодема, при этом она дополнительно содержит n аналогичных интеллектуальных контрольно-измерительных пунктов, расположенных вдоль магистрального трубопровода, при этом каждый интеллектуальный контрольно-измерительный пункт дополнительно содержит оперативно-запоминающее устройство, соединенное с центральным процессором двухсторонней связью, а управляемый вход радиомодема соединен с выходом центрального процессора также двухсторонней связью, причем все элементы интеллектуальных контрольно-измерительных пунктов расположены под землей в защитном корпусе, а фотомодуль и приемопередающая антенна закреплены на верхнем конце вертикальной стойки, заглубленной нижним концом в землю, при этом светочувствительная плоскость фотомодуля установлена под углом 5-10° к горизонту, а высота вертикальной стойки задается более 1,5 м (патент РФ на изобретение №2392536, опубликовано 20.06.2010, МПК F17D 5/00, «Способ дистанционного мониторинга технического состояния магистрального трубопровода и система для его реализации»).
К недостаткам прототипа относится то, что все элементы интеллектуальных контрольно-измерительных пунктов расположены под землей, что усложняет и повышает трудоемкость процесса их обслуживания и модернизации. Наличие фотомодуля требует его регулярной очистки в любое время года и имеет повышенную уязвимость от вандалов. Обслуживание данной системы для дистанционного мониторинга подразумевает необходимость облета контролируемой трассы магистрального трубопровода для обеспечения считывания показаний оборудования, но при этом не обеспечивает регулирование параметров мониторинга.
Задача заявляемого технического решения заключается в повышении качества мониторинга и анализа уровня коррозионной защиты подземных сооружений.
Поставленная задача решается благодаря тому, что аппаратно-программный комплекс мониторинга коррозионной защиты подземных сооружений состоит из связанных между собой системы измерений и обработки результатов измерений, системы обеспечения измерений и дистанционного управления, системы связи, центра мониторинга и управления, при этом система измерений и обработки результатов измерений содержит подсистему измерений параметров коррозионной защиты и/или подсистему защиты от наведенного переменного тока и/или подсистему контрольно-измерительного пункта, каждая из которых содержит по крайней мере один программируемый контроллер, информационно-преобразовательный модуль измерения поляризационного потенциала, связанный с электродом сравнения, вспомогательным электродом и контрольным проводником, соединенным с подземным сооружением; система обеспечения измерений и дистанционного управления содержит комплекты модемов беспроводной связи, блоки бесперебойного питания и устройства охранной сигнализации, связанные с каждым из программируемых контроллеров; система связи состоит из беспроводных и/или проводных каналов передачи данных, а также канала ручного съема данных и блока питания; центр мониторинга и управления содержит центральный сервер, связанный сетью Ethernet с по крайней мере одной линейной управляющей станцией и, по крайней мере, одним автоматизированным рабочим местом оператора, линейная управляющая станция состоит из роутеров для ретрансляционных и проводных каналов связи, а также сервера и источника бесперебойного питания, кроме того, каждый программируемый контроллер подсистемы измерений параметров коррозионной защиты дополнительно содержит связанные между собой информационно-преобразовательный модуль токоизмерительных отводов подземного сооружения, информационно-преобразовательный модуль блока совместной защиты и блок защиты от перегрузок по току и напряжению, содержащий электрод сравнения, контрольный проводник, соединенный с подземным сооружением, и по крайней мере один измерительный зонд; каждый программируемый контроллер подсистемы защиты от наведенного переменного тока дополнительно содержит информационно-преобразовательный модуль отведения наведенного тока; каждый программируемый контроллер подсистемы контрольно-измерительного пункта дополнительно содержит связанные между собой информационно-преобразовательный модуль токоизмерительных отводов подземного сооружения, информационно-преобразовательный модуль блока совместной защиты, информационно-преобразовательный модуль измерения тока, содержащего датчик тока заземления и датчик тока дренажа, информационно-преобразовательный модуль измерения тока, содержащий датчик тока протекторных групп и датчик тока подземного сооружения, информационно-преобразовательный модуль измерения сопротивления подземного сооружения.
Выполнение аппаратно-программного комплекса мониторинга коррозионной защиты подземных сооружений в виде связанных между собой системы измерений и обработки результатов измерений, системы обеспечения измерений и дистанционного управления, системы связи, а также центра мониторинга и управления позволяет с заданной периодичностью контролировать скорость коррозии и одновременно весь спектр электрических параметров коррозионной среды, в которой находятся одно или несколько подземных сооружений, таким образом, осуществляя комплексный дистанционный мониторинг коррозионной ситуации с определением скорости коррозии в режиме реального времени с возможностью передачи данных от системы измерений и обработки результатов измерений на автоматизированное рабочее место оператора центра мониторинга и управления.
Наличие в аппаратно-программном комплексе подсистемы измерений параметров коррозионной защиты и/или подсистемы защиты от наведенного переменного тока и/или подсистемы контрольно-измерительного пункта обеспечивает расширение набора контролируемых параметров и создание гибких решений с учетом актуальных требований в каждой конкретной ситуации, позволяя учитывать, например, геологические, климатические, географические условия.
Система связи, снабженная разнообразными проводными и беспроводными каналами связи, обеспечивает надежность связи и гибкость применения разных вариантов двухсторонних каналов связи.
Специализированное программное обеспечение, установленное в центре мониторинга и управления, позволяет выводить данные о скорости коррозии и электрические параметры в графическом виде на единой временной шкале, что делает возможным проведение комплексного анализа, сопоставления данных скорости коррозии и параметров катодной защиты на выбранных участках подземного сооружения, определение причины возникновения коррозии и принятие своевременных мер по ее предотвращению.
Наличие отличительных признаков в заявляемом техническом решении позволяет сделать вывод о его соответствии условию патентоспособности «новизна». Существенные признаки заявляемого изобретения, предопределяющие получение указанного технического результата, явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Условие патентоспособности «промышленная применимость» подтверждена на примере конкретного осуществления.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
на фиг.1 - структурная схема аппаратно-программного комплекса мониторинга коррозионной защиты подземных сооружений;
на фиг.2 - структурная схема системы измерений и обработки результатов измерений;
на фиг.3 - структурная схема каналов передачи данных системы связи;
на фиг.4 - структурная схема центра мониторинга и управления.
Аппаратно-программный комплекс (АПК) 1 мониторинга коррозионной защиты подземных сооружений, например, участка магистрального трубопровода, состоит из связанных между собой системы измерений и обработки результатов измерений 2, системы обеспечения измерений и дистанционного управления 3, системы связи 4, центра мониторинга и управления 5 (фиг.1).
Система измерений и обработки результатов измерений 2 содержит подсистему измерений параметров коррозионной защиты 6 и/или подсистему защиты от наведенного переменного тока 7 и/или подсистему контрольно-измерительного пункта 8 (фиг.1, 2), каждая из которых содержит по крайней мере один программируемый контроллер 9, 10, 11, информационно-преобразовательный модуль измерения поляризационного потенциала 12, связанный с электродом сравнения 13, вспомогательным электродом 14 и контрольным проводником 15, соединенным с подземным сооружением (на фиг. не показано).
Каждый программируемый контроллер 9, 10, 11 содержит процессор с оперативным запоминающим устройством и внешней памятью.
Электроды сравнения 13 и вспомогательные электроды 14 размещены в непосредственной близости от подземного сооружения.
Кроме того, каждый программируемый контроллер 9 подсистемы измерений параметров коррозионной защиты 6 дополнительно содержит связанные между собой информационно-преобразовательный модуль 16 токоизмерительных отводов подземного сооружения с комплектом токоизмерительных отводов 17 для определения тока в подземном сооружении, информационно-преобразовательный модуль 18 блока совместной защиты с блоком совместной защиты 19, а также блок защиты от перегрузок по току и напряжению 20, содержащий электрод сравнения 21, контрольный проводник 22, соединенный с подземным сооружением, и по крайней мере один измерительный зонд 23.
Измерительные зонды 23 размещены в непосредственной близости от подземного сооружения в грунте.
Каждый программируемый контроллер 10 подсистемы защиты от наведенного переменного тока 7 дополнительно содержит информационно-преобразовательный модуль 24 отведения наведенного на подземное сооружение тока с датчиком тока отведения 25.
Каждый программируемый контроллер 11 подсистемы 8 контрольно-измерительного пункта дополнительно содержит связанные между собой информационно-преобразовательный модуль 16 токоизмерительных отводов подземного сооружения с комплектом токоизмерительных отводов 17 для определения тока в подземном сооружении, информационно-преобразовательный модуль 18 блока совместной защиты с блоком совместной защиты 19, а также информационно-преобразовательный модуль 26 измерения тока, содержащий датчик тока заземления 27 и датчик тока дренажа 28, информационно-преобразовательный модуль 29 измерения тока, содержащий датчик 30 тока протекторных групп и датчик 31 тока подземных сооружений, информационно-преобразовательный модуль 32 измерения сопротивления подземных сооружений, содержащий датчик сопротивления 33.
Программируемые контроллеры 9 и 11 могут быть снабжены входами для датчиков температуры (не показаны) подземного сооружения. Температурные датчики размещены на подземном сооружении.
Система обеспечения измерений и дистанционного управления 3 (фиг.1) содержит комплекты модемов 34 беспроводной связи, блоки 35 бесперебойного питания и устройства охранной сигнализации 36, связанные с каждым из программируемых контроллеров 9, 10, 11.
Система связи 4 состоит из каналов 37 передачи данных и блоков питания 38 (фиг.1). Каналы 37 передачи данных состоят (фиг.3) из беспроводных каналов 39, а именно, спутниковых 40, ретрансляционных 41, радиоканалов 42 и/или проводных каналов 43, а именно, оптоволоконных 44, проводных интерфейсов 45, а также канала 46 ручного съема данных.
Центр мониторинга и управления 5 содержит центральный сервер 47 (фиг.1, 4), связанный сетью Ethernet 48 с по крайней мере одной линейной управляющей станцией 49 и по крайней мере одним автоматизированным рабочим местом (АРМ) 50 оператора. Каждая линейная управляющая станция 49 состоит из роутеров 51 для ретрансляционных 52 и проводных 53 каналов связи, а также сервера 54 и источника бесперебойного питания 55.
Элементы системы измерений и обработки результатов измерений 2 и элементы системы обеспечения и дистанционного управления 3 размещены на стойках мониторинга (на фиг. не показаны) коррозионной защиты подземного сооружения, установленных, например, вдоль участка магистрального трубопровода. На каждой из стоек мониторинга размещены программируемый контроллер 9 или 10, или 11, снабженный соответствующим количеством информационно-преобразовательных модулей, комплект модемов 34, блок бесперебойного питания 35, устройство охранной сигнализации 36. Таким образом, стойки мониторинга отличаются друг от друга их принадлежностью к разным подсистемам: подсистеме измерений параметров коррозионной защиты 6, подсистеме защиты от наведенного переменного тока 7 или подсистеме контрольно-измерительного пункта 8.
В процессе эксплуатации подземного металлического сооружения происходят изменения его рабочих параметров, обусловленные коррозионным износом, старением и дефектами конструкций. В процессе мониторинга измеряют показания с помощью датчиков изменения рабочих физических параметров, характеризующих техническое состояние подземного сооружения.
С помощью набора датчиков, размещенных в непосредственной близости от трубопровода и связанных кабелями с оборудованием подсистем 6, 7, 8, размещенным на стойках мониторинга, расположенных вдоль всего контролируемого участка подземного сооружения, ведется постоянный мониторинг за коррозионным состоянием подземного сооружения.
Алгоритм осуществления мониторинга строится в зависимости от рельефа, геологических условий, географического положения местности, климата, а также воздействия местных условий эксплуатации, например, близкое размещение влияющих на работу АПК 1 подземных/надземных сооружений, и реализуется в программе мониторинга частоты, длительности и последовательности съема показаний, помещаемой в каждый программируемый контроллер 9, 10, 11 каждой стойки мониторинга. В нештатных ситуациях эксплуатации подземного сооружения предусматривается возможность изменять отдельные элементы программы для уточнения или исправления нештатной ситуации с АРМа 50 оператора центра мониторинга и управления 5 или оператору-инспектору, проводящему непосредственный осмотр стоек мониторинга.
АПК 1 работает в основных режимах - режиме накопления данных и режиме передачи данных, а также в режиме срабатывания охранной сигнализации и режиме дистанционного управления, когда АПК 1 выходит из «спящего» энергосберегающего состояния.
В режиме накопления данных каждый датчик каждой подсистемы 6, 7, 8 включается в работу для проведения замера по командам процессора соответствующего программируемого контроллера 9, 10, 11, и при получении результата замера соответствующим процессором он выключается. Когда по расписанию наступает время для включения другого датчика, цикл опроса повторяется для следующего датчика.
Опрос оборудования каждой стойки мониторинга производится с персональной периодичностью, по программе опроса, которая записывается в соответствующем программируемом контроллере.
Таким образом происходит накопление результатов измерений от разных датчиков за выбранный период времени. Количество результатов измерений определяется емкостью внешней памяти процессора и может для программируемого контроллера 9 составлять 80000 записей или 277 суток при измерениях каждые 5 минут.
По командам программы регулярного опроса программируемых контроллеров 9, 10, 11 производятся последовательные опросы каждого датчика соответствующих подсистем 6, 7, 8 в соответствии с периодичностью опроса, устанавливаемой пользователем для каждого датчика, в том числе дистанционно.
Соответствующие процессоры программируемых контроллеров 9, 10, 11 проводят опросы по установленным программам с персонально задаваемой периодичностью, определяемой индивидуальными задачами, по каждому датчику оборудования каждой стойки мониторинга, и получают ответы в виде результатов замеров.
В процессоре программируемого контроллера 9 подсистемы измерений параметров коррозионной защиты 6 собирают информацию, преобразованную в цифровой вид, со следующих элементов: в информационно-преобразовательный модуль (ИПМ) 12 поступают сигналы с датчиков - электрода сравнения 13, вспомогательного электрода 14, контрольного проводника 15, соединенного с подземным сооружением; в ИПМ 16 поступают сигналы с комплекта токоизмерительных отводов 17; в ИПМ 18 поступают сигналы от блока совместной защиты 19; к блоку 20 защиты от перегрузок по току и напряжению поступают сигналы от датчиков - электрода сравнения 21, контрольного проводника 22, измерительного зонда 23.
В процессоре программируемого контроллера 10 подсистемы защиты от наведенного переменного тока 7 собирают информацию, преобразованную в цифровой вид, со следующих элементов: в ИПМ 12 поступают сигналы сдатчиков - электрода сравнения 13, вспомогательного электрода 14, контрольного проводника 15, соединенного с подземным сооружением; в ИПМ 24 поступает сигнал с датчика тока отведения 25.
В процессоре программируемого контроллера 11 подсистемы 8 собирают информацию, преобразованную в цифровой вид, со следующих элементов: в ИПМ 12 поступают сигналы с датчиков - электрода сравнения 13, вспомогательного электрода 14, контрольного проводника15, соединенного с подземным сооружением; в ИПМ 16 поступают сигналы с комплекта токоизмерительных отводов 17; в ИПМ 18 поступают сигналы от блока совместной защиты 19; в ИПМ 26 поступают сигналы от датчика тока заземления 27 и датчика тока дренажа 28; в ИПМ 29 поступают сигналы от датчика тока протекторных групп 30 и датчика тока подземного сооружения 31; в ИПМ 32 поступают сигналы от датчика сопротивления 33.
В каждом из программируемых контроллеров 9, 10, 11 происходит сбор и первичная обработка результатов измерений с целью подготовки массивов измерений по каждому датчику для передачи во внешнюю память каждого программируемого контроллера 9, 10, 11 для хранения до момента передачи их в один из модемов комплекта модемов 34 или для канала 46 ручного съема данных. До начала работы АПК 1 определяют формат массивов измерений, имеющий стандартную форму протокола обмена. Каждый процессор программируемого контроллера 9, 10, 11 обеспечивает информационную интеграцию совокупности массивов измерений посредством передачи результатов измерений в центр мониторинга и управления 5.
Из внешней памяти одного из программируемых контроллеров 9, 10, 11, в зависимости от режима работы, выдают результаты измерений, которые поступают в комплект модемов 34 и далее в приемопередающую антенну (не указана) для варианта беспроводного канала связи 39, или обеспечивают ручной съем данных 46 непосредственно на стойках мониторинга.
Передачу данных по различным каналам проводной или беспроводной связи осуществляют в штатном режиме или в режиме дистанционного управления.
Штатный режим передачи данных осуществляют по устанавливаемому расписанию измерений по программам, установленным в процессорах программируемых контроллеров 9, 10, 11.
Передача данных может быть реализована с помощью системы связи 4 по каналам передачи данных 37 - проводным 43 или беспроводным 39 каналам передачи данных, в зависимости от места размещения стойки мониторинга. Передача данных может быть осуществлена по таким беспроводным каналам, как спутниковый канал 40, ретрансляционный канал 41 (GSM), радиоканал 42 (УКВ-радиоканал), и проводным каналам, таким как оптоволоконная линия 44, проводной интерфейс 45 (RS-485).
Массивы измерений получают с помощью роутеров 51, а именно, приемопередающей антенны (не показана) роутера 52 для ретрансляционных каналов связи одной из линейных управляющих станций (ЛУС) 49. Полученные роутером 52 массивы данных поступают в сервер 54 ЛУСа 49, откуда с помощью Ethernet 48 передаются в центральный сервер 47, в котором организовано долговременное хранение данных. В случае поступления преобразованных массивов данных через роутер 53 для проводных каналов связи, они аналогично проходят далее в ЛУС 49, откуда с помощью Ethernet 48 передаются в центральный сервер 47. Каждый сервер 54 ЛУСа 49 обеспечивается питанием от индивидуального источника бесперебойного питания 55. Если запрос на получение результатов измерений был сформирован оператором одного из АРМов 50, то запрошенная информация поступает из центрального сервера 47 с помощью Ethernet 48 к определенному оператору АРМа 50.
Режим дистанционного управления осуществляют из центра мониторинга и управления 5 оператором АРМа 50 для изменения частоты замеров требуемых в данной ситуации датчиков, получения оперативных результатов замеров с этих датчиков для их актуального анализа. Для этого запрос из АРМа 50 с помощью Ethernet 48 передают в одну из ЛУС 49 и через роутер 52 посредством канала связи 39 его получают в модеме 34 для передачи в процессор соответствующего программируемого контроллера 9, 10 или 11 на требуемые датчики.
Режим сигнализации наступает при срабатывании устройства охранной сигнализации 36, при этом генерируется тревожный сигнал о факте несанкционированного доступа к оборудованию, который посылается на центральный сервер 47 центра мониторинга и управления 5.
Питание системы измерений и обработки 2 и системы обеспечения измерений и дистанционного управления 3 обеспечивают блоки бесперебойного питания 35, которые могут работать как от комплекта батарей, обеспечивающих до 3 лет автономной работы, так и от внешнего источника постоянного или переменного напряжения. Питание системы связи 4 осуществляют блоки питания 38.
Таким образом, заявляемый аппаратно-программный комплекс мониторинга коррозионной защиты подземных сооружений позволяет с устанавливаемой пользователем периодичностью дистанционно контролировать весь комплекс электрических параметров коррозионной среды, в которой находятся одно или несколько подземных сооружений, с возможностью передачи в режиме реального времени данных от системы измерений и обработки результатов измерений на автоматизированное рабочее место оператора центра мониторинга и управления, повышая тем самым качество комплексного дистанционного мониторинга и анализа уровня коррозионной защиты подземных сооружений.