Измерительно-вычислительный комплекс для определения качественных и количественных характеристик нефти и нефтепродуктов
MEASURING AND COMPUTING SYSTEM FOR DETERMINATION OF QUALITATIVE AND QUANTITATIVE CHARACTERISTICS OF OIL AND OIL PRODUCTS

Предлагаемое изобретение относится к области добычи, транспортировки, переработки и хранения нефти и нефтепродуктов, в том числе в системах коммерческого учета нефти и нефтепродуктов.
Метрологическое обеспечение нефтяных комплексов, повышение точности коммерческого учета нефти и нефтепродуктов - одно из приоритетных направлений развития систем учета, поскольку дает отдачу в виде увеличения объема реализации нефти и сокращения ее себестоимости. Стоимость товарной нефти и нефтепродуктов существенно зависит от их качества, что обусловливает постоянно возрастающую потребность не только в средствах измерения их количественных, но и в контроле качественных характеристик. В этой связи особое значение приобретает создание отечественных серийно выпускаемых средств контроля как при производстве (добыче) нефти и нефтепродуктов, так и при их транспортировке.
Измерительно-вычислительный комплекс для определения качественных и количественных характеристик нефти и нефтепродуктов представляет собой программно-аппаратный комплекс, предназначенный для получения количественных и качественных характеристик нефти и нефтепродуктов путем непрерывного измерения и преобразования входных сигналов, поступающих от первичных измерительных преобразователей различного типа, в цифровой код с последующей обработкой полученной информации в соответствии с нормативной документацией, ее накоплением и выводом в устройства верхнего уровня в цифровом виде по различным протоколам.
В качестве первичных измерительных преобразователей (расхода, давления, температуры, плотности, влагосодержания, и так далее) могут использоваться датчики с выходным число-импульсным, частотным, токовым сигналом или цифровым выходным сигналом.
Устройства данного назначения являются базовыми при построении систем обработки информации (СОИ) в системах измерения количества и качества нефти и нефтепродуктов (СИКН).
В качестве аналога может быть рассмотрено изобретение по патенту США US №5504693 «Система контроля потока» (Flow Control System) [1]. По данному изобретению персональный компьютер работает в сочетании с персональным компьютером, работающим в потоке, для предоставления данных о потоке в реальном времени на экране персонального компьютера. Поток в трубопроводе может регулироваться и направляться от персонального компьютера с помощью клапанов управления потоком и клапанов с приводом от двигателя через программируемый логический контроллер и поточный компьютер.
Конструктивно данная система представляет собой устройство, содержащее набор датчиков, расположенных как единое целое на стенке измерительного трубопровода в точке измерения расхода, комплект автоматизированной запорно-регулирующей арматуры, поточный компьютер (вычислитель), персональный компьютер автоматизированного рабочего места (АРМ) верхнего уровня в комплекте со специализированным программным обеспечением.
Недостатком известного устройства являются:
- необходимость обязательного применения персонального компьютера в качестве АРМ верхнего уровня для осуществления части вычислительных операций, накопления данных, просмотра, анализа и печати архивов изменения параметров отчетных документов и другой ретроспективной информации, что усложняет систему, снижает ее надежность и увеличивает стоимость;
- отсутствие возможности автоматизированного управления запорно-регулирующей арматурой узлов учета;
- отсутствие возможности синхронизации времени встроенных часов по сигналам спутников Глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС);
- отсутствие возможности передачи данных от вычислителя на АРМ верхнего уровня с помощью GSM-сигнала (GSM - Global System for Mobile Communication);
- отсутствие поддержки аппаратного резервирования устройств;
- отсутствие поддержки резервирования каналов связи для обмена данными с внешними системами и устройствами.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является «Унифицированный программно-технический комплекс сбора и обработки информации с контрольно-измерительных приборов и аппаратуры (КИПиА)», полезная модель по патенту РФ №RU 116226 [2].
Комплекс содержит: блок питания, аккумулятор, модули преобразования интерфейсов, модули дискретных сигналов и модули аналоговых сигналов, с помощью которых осуществляется преобразование, оцифровка и последующая передача результатов преобразования по интерфейсу в выполненный на основе панельного компьютера (ПК) блок обработки информации, в котором происходит преобразование сигналов с КИПиА к унифицированному формату в физические величины, отображение с помощью монитора ПК обработанной информации в режиме реального времени, настройка пределов сигнализации контролируемых параметров, архивирование и хранение получаемых параметров на твердотельном накопителе, передача достоверных данных в смежные системы, формирование коммерческих отчетов локально и удаленно с сертифицированным метрологически значимым программным обеспечением.
Недостатками данного устройства являются:
- значительные габаритные размеры;
- отсутствие возможности печати отчетных документов непосредственно с устройства без использования дополнительного АРМ верхнего уровня;
- отсутствие возможности управления устройством с помощью сенсорного экрана, для этого используется дополнительный кнопочный пульт управления, что уменьшает надежность устройства и увеличивает его стоимость;
- отсутствие возможности наращивания количества каналов ввода-вывода сигналов для подключения датчиков и исполнительных механизмов, устройство рассчитано на подключение 1-2 измерительных линий (трубопроводов), при необходимости подключения большего количества измерительных линий требуется установка дополнительных устройств, что уменьшает надежность устройства и увеличивает его стоимость;
- отсутствие возможности автоматизированного управления запорно-регулирующей арматурой узлов учета;
- отсутствие возможности синхронизации времени встроенных часов по сигналам спутников ГНСС;
- отсутствие возможности передачи данных от вычислителя на АРМ верхнего уровня с помощью GSM-канала;
- отсутствие поддержки аппаратного резервирования устройств;
- отсутствие поддержки резервирования каналов связи для обмена данными с внешними системами и устройствами.
Задача предлагаемого изобретения состоит в создании эффективного и надежного устройства, обеспечивающего получение количественных и качественных характеристик нефти и нефтепродуктов путем непрерывного измерения и преобразования входных сигналов, поступающих от первичных измерительных преобразователей различного типа, в цифровой код с последующей обработкой полученной информации в соответствии с нормативной документацией, ее накоплением и выводом во внешние устройства и системы в цифровом виде по различным протоколам.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в возможности формирования, долговременного хранения, отображения и печати отчетных документов, необходимых в соответствии с действующей нормативной документацией, непосредственно в устройстве измерительно-вычислительного комплекса, возможности синхронизации времени внутренних часов устройства по сигналам ГНСС ГЛОНАСС или GPS, возможности наращивания количества каналов ввода-вывода сигналов для подключения датчиков и исполнительных механизмов и соответственно наращивания контролируемых трубопроводов, а также гарантированного резервирования каналов связи для обмена данными и аппаратного резервирования измерительно-вычислительного комплекса.
Технический результат достигается за счет того, что в измерительно-вычислительный комплекс дополнительно введены: коммуникационный блок сотовой связи GSM, соединенный с центральным вычислительным модулем и коммуникационным блоком Ethernet, обеспечивающий связь с внешними устройствами по сети сотовой связи стандарта GSM и при совместной работе с блоком Ethernet «горячее» резервирование каналов связи с внешними устройствами, коммуникационный блок ГЛОНАСС/GPS-антенны, ГЛОНАСС/GPS-антенна, блок сенсорного экрана, блок резервирования, в состав вычислительного блока введены соединенные с центральным вычислительным модулем модуль синхронизации времени, связанный с коммуникационным блоком ГЛОНАСС/GPS-антенны, модуль оперативной базы данных, модуль ведения трендов (архивов), связанный с модулем архивной базы данных и внутренним коммуникационным модулем, который соединен с блоком резервирования, а также посредством коммуникационного модуля сенсорного экрана с блоком сенсорного экрана, содержащим модуль обработки данных и сенсорный экран, и обеспечивающим человеко-машинный интерфейс для визуализации оперативной и ретроспективной информации (в том числе отчетных документов) и управления исполнительными механизмами, в состав блока ввода-вывода введен связанный с модулем обработки сигналов модуль цифро-аналогового преобразования, соединенный с исполнительными механизмами.
В материалах заявки представлена блок-схема измерительно-вычислительного комплекса для определения качественных и количественных характеристик нефти и нефтепродуктов.
Измерительно-вычислительный комплекс для определения качественных и количественных характеристик нефти и нефтепродуктов содержит:
1 - коммуникационный блок Ethernet;
2 - коммуникационный блок последовательной шины (RS232/422/485);
3 - коммуникационный блок сотовой связи GSM;
4 - коммуникационный блок ГЛОНАСС/GPS-антенны;
5 - ГЛОНАСС/GPS-антенна;
6 - вычислительный блок, содержащий:
7 - центральный вычислительный модуль;
8 - внешний коммуникационный модуль;
9 - внутренний коммуникационный модуль;
10 - модуль синхронизации времени;
11 - модуль оперативной базы данных;
12 - модуль ведения трендов (архивов);
13 - модуль архивной базы данных;
14 - блок сенсорного экрана, содержащий:
15 - коммуникационный модуль сенсорного экрана;
16 - сенсорный экран;
17 - модуль обработки данных (графики);
18 - блок ввода-вывода сигналов, содержащий:
19 - коммуникационный модуль блока ввода-вывода сигналов;
20 - модуль обработки сигналов;
21 - модуль аналого-цифрового преобразования (АЦП);
22 - модуль цифро-аналогового преобразования (ЦАП);
23 - блок резервирования;
24 - блок питания.
Заявляемый измерительно-вычислительный комплекс может встраиваться в различные информационно-управляющие системы за счет поддержки цифровых интерфейсов Ethernet, RS232/422/485, сотовой связи GSM, а также открытых протоколов обмена данными Modbus RTU/TCP, МЭК 60870-5-101/104 и ОРС DA/HDA.
Коммуникационный блок Ethernet 1 обеспечивает взаимодействие комплекса с внешними системами и устройствами (например АРМ верхнего уровня или принтером) по проводной локальной сети.
Коммуникационный блок последовательной шины (RS232/422/485) 2 обеспечивает взаимодействие комплекса с внешними системами и устройствами по проводной последовательной шине типа RS232, RS422 или RS485 с использованием открытых протоколов обмена данными (МЭК 60870-5-101, Modbus RTU).
Коммуникационный блок сотовой связи GSM 3 обеспечивает взаимодействие комплекса с внешними системами и устройствами по одной из двух беспроводных сетей сотовой связи стандарта GSM (поддержка двух SIM-карт) с использованием открытых протоколов обмена данными (ОРС, МЭК 60870-5-104, Modbus TCP).
Коммуникационный блок ГЛОНАСС/GPS-антенны 4 обеспечивает получение сигналов точного времени от ГЛОНАСС/GPS-антенны 5 и их последующую передачу модулю синхронизации времени, входящему в состав вычислительного блока 6.
Центральный вычислительный модуль 7 вычислительного блока 6 осуществляет:
- обработку поступающих сигналов, выполнение на их основе всех требуемых расчетов и сохранение полученных и рассчитанных значений в оперативной базе данных 11, а также с помощью модуля ведения трендов 12 формирование архивов путем присвоения метки времени оперативным данным и помещения их в архивную базу данных 13;
- получение от блока сенсорного экрана 14 и автоматическое формирование модулем центральным вычислительным 7 (на основе заложенной программы) управляющих сигналов для исполнительных механизмов с последующей их трансляцией в блоки ввода-вывода 18;
- формирование и передачу оперативных данных для их последующей визуализации на экране и передачу оперативных и архивных данных через коммуникационные блоки 1, 2, 3 на внешние системы и устройства.
Блок сенсорного экрана 14 осуществляет:
- обработку в модуле обработки данных 17 и последующую визуализацию полученных от вычислительного блока 6 оперативных и архивных данных на сенсорном экране 16 и отправку сформированных модулем обработки данных 17 отчетных документов через коммуникационный блок Ethernet 1 на внешнее устройство (принтер);
- формирование сенсорным экраном 16 управляющих сигналов, их обработку в модуле обработки данных 17 и последующую передачу в модуль центральный вычислительный 7 вычислительного блока 6.
Блок резервирования 23 при необходимости обеспечивает работу двух комплексов в режиме 100%-го «горячего» резервирования путем реализации обмена статусами («основной» / «резервный») между комплексами, а также периодического копирования оперативной и архивной баз данных с комплекса со статусом «основной» на комплекс со статусом «резервный» для возможности перехода на резервный комплекс без потери данных.
Блок питания 24 осуществляет формирование необходимых для работы комплекса питающих напряжений.
Заявляемый в качестве изобретения измерительно-вычислительный комплекс работает следующим образом: центральный вычислительный модуль 7 вычислительного блока 6 посредством внутреннего коммуникационного модуля 9 и связанного с ним коммуникационного модуля 19 блока ввода-вывода сигналов 18 получает прошедшие первичную обработку в модуле обработки сигналов 20 (масштабирование, преобразование в требуемый формат и так далее) сигналы с подключенных датчиков от модуля аналого-цифрового преобразования 21 и на основании заложенной программы и команд управления от блока сенсорного экрана 14 передает сигналы управления в модуль обработки сигналов 20 для дальнейшей их передачи через модуль цифро-аналогового преобразования на исполнительные механизмы.
Полученные от датчиков сигналы и сформированные сигналы управления сохраняются центральным вычислительным модулем в оперативной базе данных 11, модуль ведения трендов 12 осуществляет формирование архивов путем присвоения метки времени данным, сохраненным в оперативной базе данных, и помещения их в архивную базу данных 13.
Модуль обработки данных (графики) 17 блока сенсорного экрана 14 через коммуникационный модуль сенсорного экрана 15 и внутренний коммуникационный модуль 9 вычислительного блока 6 опрашивает центральный вычислительный модуль 7 для получения оперативных данных и модуль ведения трендов 12 для получения архивных данных (трендов) с последующей их визуализацией на сенсорном экране 16, а затем передает команды управления от сенсорного экрана 16 в центральный вычислительный блок 7.
Модуль обработки данных (графики) 17 на основании полученных архивных данных осуществляет формирование и отображение на сенсорном экране 16 печатных документов, а также передачу их через коммуникационный модуль сенсорного экрана 15, коммуникационный блок Ethernet 1 и коммутатор сети на принтер для печати на бумажном носителе. Модуль синхронизации времени 10 получает через коммуникационный блок 4 от ГЛОНАСС/GPS-антенны 5 сигналы точного времени, на основании которых осуществляет коррекцию внутренних часов комплекса. АРМ верхнего уровня либо через коммутатор сети и коммуникационный блок Ethernet 1, либо через коммуникационный блок последовательной шины 2, либо через коммуникационный блок сотовой связи GSM 3 посредством внешнего коммуникационного модуля 8 опрашивают центральный вычислительный модуль 7 для получения оперативных данных, и модуль ведения трендов (архивов) 12 для получения архивных данных (трендов) с целью их визуализации на экране, затем передают команды управления в центральный вычислительный модуль 7. На основании полученных архивных данных АРМ верхнего уровня дополнительно осуществляют формирование и отображение на экране печатных документов, а также передачу их через коммутатор сети на принтер для печати на бумажном носителе. Для обеспечения работы комплекса по схеме 100%-го «горячего» резервирования центральный вычислительный модуль 7 вычислительного блока 6 со статусом «резервный» через блок резервирования 23 осуществляет постоянный контроль статуса комплекса со статусом «основной», а комплекс со статусом «основной» - периодическое копирование оперативной и архивной баз данных на комплекс со статусом «резервный». Комплекс позволяет путем установки в него дополнительных блоков ввода-вывода наращивать количество каналов ввода-вывода для подключения датчиков и исполнительных механизмов и, как следствие, количество измерительных линий (трубопроводов).
Заявляемый измерительно-вычислительный комплекс для определения качественных и количественных характеристик нефти и нефтепродуктов позволяет осуществлять непрерывное измерение и преобразование входных сигналов, поступающих от измерительных преобразователей, в цифровой код с последующей обработкой полученной информации и выводом ее во внешние устройства в цифровом виде за счет поддержки цифровых коммуникационных интерфейсов: Ethernet, RS232/422/485, сотовой связи GSM, а также открытых протоколов обмена данными: Modbus RTU/TCP, МЭК 60870-5-101/104, ОРС DA/HDA.
На базе открытых протоколов обмена данными обеспечивается построение как малых систем учета, содержащих 1-2 комплекса, так и больших распределенных систем обработки данных в составе систем измерения количества и показателей качества нефти и нефтепродуктов, а также встраивание их в уже имеющиеся информационно-управляющие системы.
Статистические исследования в области техники данного назначения, основанные на анализе ряда импортных и отечественных изделий, позволяют сделать вывод о том, что по ряду технических характеристик, таких как: электропитание, потребляемая мощность, срок службы, интервал времени до проверочного тестирования, язык интерфейса, заявляемый комплекс является конкурентоспособным и обладает такими характеристиками, как:
- высокая точность измерений и вычислений;
- широкие коммуникационные возможности;
- наличие человеко-машинного интерфейса на базе сенсорного экрана, обеспечивающего встроенную систему обработки информации, что существенно снижает общую стоимость системы учета и контроля.
Использованные источники информации:
1. Патент 5504693 США МПК G01F 15/06. Flow Control System (Система контроля потока) / Elliot, Kenneth D.., Frenzel Jr., G. Charles (US); патентоообладатель Omni Flow Company, Inc. - 08/090,749; заявл. 13.07.1993; выдан 02.04.1996.
2. Патент 116226 Российская Федерация МПК G01F 1/00. Унифицированный программно-технический комплекс сбора и обработки информации с контрольно-измерительных приборов и аппаратуры (КИПиА) / Крупин В.А., Смирнов Ю.В., Френкель Л.Б., Замахин С.В., Мазур А.П., Рычков И.В., Карюк В.М., Филиппов Г.Э., Сельченков В.Л., Зинин Д.В., Федотов В.В., Мишаков B.C. (RU); заявители и патентообладатели ООО «Газпром трансгаз Москва» (RU), ЗАО «Объединение БИНАР» (RU) - 2011154740/28; заявл. 30.12.2011; опубл. 20.05.2012, Бюл. №14. - 2 с: ил.