СИСТЕМА СБОРА, ОБРАБОТКИ И ПЕРЕДАЧИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ ОБЪЕКТОВ НА МАГИСТРАЛИ БОЛЬШОЙ ПРОТЯЖЕННОСТИ
SYSTEM FOR COLLECTING, PROCESSING AND TRANSMITTING MEASUREMENT INFORMATION WITH SERIES ARRANGEMENT OF OBJECTS ON LONG MAINLINE

Предлагаемое изобретение относится к области информационно-измерительных систем, в частности к оптико-электронным устройствам сбора, обработки и передачи измерительной информации с объектов магистрального трубопровода, расположенных вдоль линии передачи на большом расстоянии друг от друга.
Заявляемое устройство предназначено для сбора, обработки и передачи на береговой приемный пункт измерительной информации о техническом состоянии подводного трубопровода, которое диагностируется по результатам измерений параметров вибрации трубы, вызванных технологическим шумом турбулентной газовой струи, протекающей по газопроводу. Изменение состояния фрагментов трубопровода в процессе эксплуатации определяется по изменению амплитуды и спектра продольных и поперечных колебаний стенки трубы, измеренных на концах каждого элемента трубопровода, в зависимости от давления и интенсивности газового потока и вычислению амплитуды и скорости продольной звуковой волны, распространяющейся в трубопроводе. При этом для вычисления скорости необходимо проводить синхронные измерения вибраций на концах каждого элемента.
В настоящее время для сбора, обработки и передачи измерительной информации с элементов магистрали большой протяженности используются двунаправленные линии передачи, содержащие необходимое число контролируемых пунктов, равное числу обслуживаемых элементов магистрали, которые подключены к измерительным преобразователям, установленным на этих элементах. Линия передачи подключается к приемному пункту, в котором измерительная информация накапливается, обрабатывается и отображается на дисплее. Одно направление линии передачи используется для синхронизации процессов измерения преобразователей и синхронизации процессов их опроса, а другое направление - для передачи, полученной от измерительных преобразователей, информации к приемному пункту.
Одна из таких систем сбора, обработки и передачи измерительной информации (мониторинга технического состояния магистрального трубопровода) ( см. патент на изобретение РФ №2392537, М. кл. F17D 5/06, опубл. 20.06.2010 г.) содержит различные датчики, расположенные вдоль трубопровода, с которых информация о параметрах, влияющих на техническое состояние магистрального трубопровода, направляется по кабелям в блоки обработки, расположенные с заданным шагом на поверхности водоема в буях положительной плавучести. Блоки обработки включают оперативные запоминающие устройства (ОЗУ), в которых хранится полученная измерительная информация. Далее по радиоканалу с использованием спутниковой системы связи или с вертолета полученная информация считывается и передается на береговую приемную и обрабатывающую аппаратуру для осуществления мониторинга технического состояния магистрального трубопровода.
Данная система не позволяет осуществлять измерения параметров вибрации трубопровода и осуществлять соответствующий мониторинг этих параметров, т.к. в ней не предусмотрено осуществление жесткой синхронизации процессов измерения. Это не позволяет определять взаимную корреляционную функцию вибрации на противоположных концах каждого участка элемента трубопровода.
Для связи с буйками, установленными на поверхности водной среды, при большой глубине прокладки трубопровода требуется использование электрокабеля большой протяженности, что приводит к значительному затуханию измерительного сигнала и ограничивает скорость передачи этой информации.
Использование спутниковой системы радиосвязи или радиосвязи с летательным аппаратом приводит к усложнению обработки измерительной информации.
Известна еще одна система сбора, обработки и передачи информации, входящая в комплекс «Магистраль-2», выбранная за прототип (см. статью Владимира Калабухова, Сергея Степанова «Обеспечение функций сбора информации телеуправления на объектах магистральных газопроводов», журнал «Современные технологии автоматизации», №2, 2001 г.). Известная система содержит N контролируемых пунктов, последовательно соединенных между собой линией передачи измерительной информации и подключенных к приемному пункту с последовательно соединенными концентратором информации и дисплеем. Каждый контролируемый пункт снабжен связанными между собой датчиком вибраций с преобразователем и дешифратором адреса пункта, который подключает измерительный преобразователь данного пункта к линии передачи.
Данная система в отличие от вышеописанного аналога позволяет измерять параметры вибрации.
Однако при реализации этой системы сбора, обработки и передачи измерительной информации существенно ограничена протяженность фрагмента контролируемой магистрали из-за значительного затухания сигнала передаваемой информации в линии передачи.
Для уменьшения затухания могут использоваться волоконно-оптические линии передачи, но необходимость использования двух волоконно-оптических линий передачи, по одной из которых передается измерительный сигнал, а по второй - сигнал синхронизации, снижает надежность и увеличивает сложность, стоимость и энергопотребление оптоэлектронной системы, которая требует использования двух фотоприемных устройств и двух лазерных источников излучения в каждом регенераторе, что особенно важно при обеспечении дистанционного питания на элементах магистрали большой протяженности.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности и увеличение протяженности фрагмента контролируемой магистрали при одновременном упрощении системы за счет использования одной волоконно-оптической линии передачи (ВОЛП) и исключения необходимости применения второй ВОЛП для синхронизации процессов измерения преобразователей и синхронизации процессов их опроса.
Указанный технический результат обеспечивается в предлагаемой системе сбора, обработки и передачи измерительной информации с последовательным расположением объектов на магистрали большой протяженности, содержащей последовательно соединенные линией передачи N контролируемых пунктов, с измерительными преобразователями и дешифраторами адреса и приемный пункт с последовательно соединенными концентратором информации и дисплеем, отличающейся тем, что линия передачи выполнена волоконно-оптической, в каждый контролируемый пункт дополнительно введены оптический регенератор, дешифратор синхроимпульсов, формирователь сигнала управления «запись-считывание» и блок памяти, в первый контролируемый пункт введен блок синхронизации, а в приемный пункт введены оптический регенератор и дешифратор измерительной информации, при этом оптические регенераторы каждого контролируемого пункта связаны между собой отрезками волоконно-оптической линии передачи, выход оптического регенератора последнего контролируемого пункта посредством волоконно-оптической линии передачи подключен к входу приемного пункта, которым является вход оптического регенератора, выход которого соединен со входом дешифратора измерительной информации, выход которого подключен к входу концентратора информации приемного пункта, связанного выходной шиной с входной шиной дисплея, электрический вход оптического регенератора первого контролируемого пункта соединен с входами дешифратора синхроимпульсов и дешифратора адреса и с выходами блока синхронизации и блока памяти, входная шина которого соединена с выходной шиной формирователя сигнала управления «запись-считывание», другие соответствующие входы которого соединены с выходами дешифратора синхроимпульсов и дешифратора адреса, а вход блока памяти соединен с выходом измерительного преобразователя, электрический выход оптического регенератора каждого последующего контролируемого пункта подключен к входам дешифратора синхроимпульсов и дешифратора адреса, а вход оптического регенератора соединен с выходом блока памяти, вход которого соединен с выходом измерительного преобразователя, а входная шина блока памяти соединена с выходной шиной формирователя сигнала управления «запись-считывание», соответствующие входы которого соединены с выходами дешифратора синхроимпульсов и дешифратора адреса.
Такое построение системы сбора, обработки и передачи измерительной информации обеспечивает использование одной волоконно-оптической линии для синхронизации процессов измерения преобразователей, синхронизации процессов их опроса и для передачи, полученной от измерительных преобразователей информации к приемному пункту.
При этом использование ВОЛП и регенераторов снижает затухание передаваемого сигнала и обеспечивает возможность дистанционного питания элементов трубопровода большой протяженности.
Введение в первый контролируемый пункт блока синхронизации, а в каждый последующий контролируемый пункт дешифратора синхроимпульсов, формирователя сигнала управления «запись-считывание», блока памяти дает возможность осуществлять одновременную передачу по одной ВОЛП и измерительной информации и сигнала синхронизации. Причем включенный в приемный пункт дешифратор измерительной информации обеспечивает разделение измерительного сигнала и сигнала синхронизации.
Предлагаемая система сбора, обработки и передачи измерительной информации с последовательным расположением объектов на магистрали большой протяженности поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена структурная схема системы, а на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие процесс передачи измерительного сигнала и сигнала синхронизации.
В соответствии с фиг.1 система содержит N контролируемых пунктов (1.1-1.N), где N выбирается в зависимости от протяженности и конфигурации магистрали, приемный пункт 2. При этом каждый контролируемый пункт (1.1-1.N) и приемный пункт 2 содержат оптический регенератор 3, причем оптические регенераторы 3 связаны между собой посредством отрезков 4 ВОЛП.
Контролируемый пункт 1.1 также содержит дешифратор 5 синхроимпульсов, блок 6 синхронизации, формирователь 7 сигнала управления «запись-считывание», блок 8 памяти, дешифратор 9 адреса, измерительный преобразователь 10, при этом выход блока 6 синхронизации подключен к входам оптического регенератора 3, дешифратора 5 синхроимпульсов, дешифратора 9 адреса и выходу блока 8 памяти, вход которого соединен с выходом измерительного преобразователя 10. Каждый последующий контролируемый пункт (1.2-1.N) содержит дешифратор 5 синхроимпульсов, формирователь 7 сигнала управления «запись-считывание», блок 8 памяти, дешифратор 9 адреса и измерительный преобразователь 10.
Входная шина блока 8 памяти во всех контролируемых пунктах соединена с выходной шиной формирователя 7 сигнала управления «запись-считывание», соответствующие входы которого соединены с выходами дешифратора 5 синхроимпульсов и дешифратора 9 адреса, а вход блока 8 памяти соединен с выходом измерительного преобразователя 10. Выход блока 8 памяти соединен с входом оптического регенератора 3.
Приемный пункт 2 содержит подключенный к выходу оптического регенератора 3 дешифратор 11 измерительной информации, выходом подключенный к входу концентратора 12 информации, выходная шина которого подключена к входной шине дисплея 13.
Система сбора и передачи измерительной информации работает следующим образом.
Блок 6 синхронизации генерирует синхроимпульсы заданной длительности, следующие с частотой, определяющей частоту опроса измерительных преобразователей 10. По каждому М-му импульсу блок 6 синхронизации формирует адресную пачку импульсов, содержащую число импульсов, обеспечивающих передачу в двоичном коде любого адреса из N контролируемых пунктов (1.1-1.N). Адреса в пачках поочередно принимают значения от «I» до «N». При этом произведение N×M определяет число измерений в каждом цикле. Синхроимпульсы и адресные пачки импульсов преобразуются в оптическом регенераторе 5 первого контролируемого пункта 1.1 в пропорциональное оптическое излучение и распространяются по всей волоконно-оптической линии 4 передачи (см. фиг.2-а), преобразуясь в каждом оптическом регенераторе 5 в электрический сигнал и обратно.
Дешифраторы 5 синхроимпульсов выделяют их из электрического сигнала, действующего на входах, и через формирователи 7 сигнала управления «запись-считывание» управляют соответствующими блоками 8 памяти так, что они последовательно записывают в свою память мгновенные значения измеряемых измерительными преобразователями 10 величин в моменты действия синхроимпульсов.
При приходе адресной пачки импульсов дешифраторы 9 адреса определяют адрес и через формирователи 7 сигнала управления «запись-считывание» переключают блок 8 памяти запрашиваемого контролируемого пункта (1.1-1.N) в режим считывания (см. фиг.2-б). Считывание накопленной в памяти информации и передача ее по волоконно-оптической линии 4 осуществляется пачками, которые вкладываются в передаваемый по волоконно-оптической линии 4 сигнал блока 6 синхронизации, между импульсами синхронизации (см. фиг.2-в). За интервал времени между адресной пачкой запрашиваемого контролируемого пункта 1 и следующей адресной пачкой по линии 4 передачи передается вся информация, накопленная в памяти запрашиваемого контролируемого пункта 1.
После оптического регенератора 3, установленного в приемном пункте 2, дешифратор 11 измерительной информации выделяет из его выходного сигнала информацию, поступающую от измерительных преобразователей 10, концентратор 12 информации обрабатывает ее и накапливает, а затем полученная информация отображается на дисплее 13.
Рассмотрим пример реализации предлагаемого устройства.
Оптические регенераторы 3 могут быть выполнены на основе фотодиодов PDI-80P и полупроводниковых лазеров LDI-H-FP.
В качестве волоконно-оптической линии 4 передачи могут используются подводные волоконно-оптические кабели связи, например, морской оптический кабель производства ЗАО «ОКС 01» ОПП или ОПР.
Блок 6 синхронизации, дешифраторы 5 синхроимпульсов и дешифраторы 9 адреса, формирователь 7 сигнала управления «запись-считывание» могут быть выполнены на микросхеме программируемой логики Altera EPM7064STC44-A71, блоки 8 памяти - на микросхеме МК8128Р-70.
В качестве измерительного преобразователя 10 может быть использован трехкомпонентный акселерометр ADXL-105 фирмы Analog devices, а концентратором информации (памятью) и дисплеем может служить персональный компьютер.