БЕСПРОВОДНАЯ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ И СПОСОБ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD AND WIRELESS SYSTEM FOR MONITORING TECHNICAL PARAMETERS OF INDUSTRIAL OBJECTS

Изобретение относится к вычислительной и информационно-вычислительной технике, может быть использовано в автоматизированных регистрирующих системах, работающих как независимо, так и в составе многоуровневых информационно управляющих систем, в частности в системах контроля технологических параметров промышленных объектов, распределенных на больших территориях и не имеющих проводных линий связи и линий электропитания, подведенных к точкам контроля. К таким объектам относятся: производственные комплексы, размещенные как в отдельном здании, так и в совокупности зданий; объекты нефтегазовой промышленности, например станции подземного хранения газа; транспортные объекты, например суда или самолеты. Кроме того, изобретение может быть использовано в автоматизированных системах охраны и наблюдения. Использование предложенного решения позволит поднять эффективность эксплуатации контролируемого объекта за счет того, что позволит регистрировать и передавать на центральный узел данные о технологических параметрах объекта без строительства проводных линий связи и электропитания.
Известна установка газовых скважин (п. РФ №40077, опубл. 27.08.2004), включающая сужающее устройство, контрольно-измерительные приборы для замера давления и температуры, многопараметрический датчик, блок регистрации, а также радиостанцию и концентратор данных, причем контрольно-измерительные приборы соединены кабелем с входом многопараметрического датчика, выход которого соединен с входом блока регистрации при помощи кабеля, блок регистрации и радиостанция имеют беспроводную связь с помощью радиомодема, а радиостанция соединена с концентратором данных кабелем связи.
Недостатком данной установки является то, что она пригодна для исследования лишь одной скважины, а также требуется монтаж проводных линий связи на скважине.
Известен информационно-измерительный комплекс (п. РФ №37245, опубл. 10.04.2004), характеризующийся тем, что он содержит диспетчерский блок, снабженный централизованным электропитанием и комплектом информационно-вычислительных и приемо-передающих устройств, связанных посредством радиосвязи с М информационно-вычислительными устройствами, где М - целое число, каждое из которых содержит радиопередающий узел или модем для обмена с диспетчерским блоком с помощью спутниковой связи. Каждое информационно-вычислительное устройство электрически связано с датчиками параметров соответствующей группы газовых и/или нефтяных скважин и заключено в герметичный контейнер, прикрытый сверху термоизоляционной крышкой и размещенный внутри монтажного колодца, который погружен в грунт полностью или частично, при этом верхняя часть указанного колодца закрыта термоизоляционным кожухом, а каждый из М информационно-вычислительных устройств снабжен автономным источником питания и связан с блоком солнечных батарей и с антенной для радиообмена информацией с диспетчерским блоком.
Недостатком данного комплекса является сложность монтажных работ, наличие наземных проводных связей, что усложняет конструкцию. Кроме того, в комплексе не предусмотрен импульсный режим работы, который значительно сокращает энергопотребление.
В качестве прототипа выбрана беспроводная система датчиков (WO 2005/119609 A2, опубл. 15.12.2005), состоящая из сенсорных модулей, ретрансляторов, базовой станции и управляющего компьютера. Сенсорный модуль включает в себя датчик физической величины, контроллер и передатчик. Контроллер получает данные от датчика и определяет, передавать их в эфир или нет в зависимости от определенного критерия. В случае, когда критерий достигнут, начинается передача данных, которые поступают на ретранслятор - связующее звено между сенсорным модулем и базовой станцией. Базовая станция собирает информацию со всех датчиков системы и передает ее на управляющий компьютер. Управляющий компьютер имеет средства отображения и записи данных, а также средства оповещения ответственного персонала об аварийной ситуации.
Недостатком прототипа является принципиально ограниченная зона действия, поскольку в конфигурации ретранслятора не предусмотрена возможность передавать данные другим ретрансляторам. По этой причине между базовой станцией и сенсорным модулем стоит лишь один ретранслятор, и радиус действия системы ограничивается зоной приема-передачи базовой станции, ретранслятора и сенсорного модуля. Особенно серьезно дело обстоит, если требуется осуществлять передачу, не выходя за рамки разрешенных мощностей передатчиков. В этом случае для объектов, размеры которых превышают радиус действия цепочки «базовая станция-ретранслятор-сенсорный модуль», такая конфигурация оказывается просто не пригодной.
Кроме того, в сенсорном модуле прототипа отсутствует возможность первичной обработки данных. Это приводит к необходимости производить накопление, усреднение (линеаризацию и т.п.) данных с каждого сенсорного модуля на управляющем компьютере, ресурсов которого на это может просто не хватить при большом количестве сенсорных модулей в системе. Еще один недостаток системы без первичной обработки данных состоит в том, что необработанные данные, как правило, занимают больший объем и поэтому требуют большей энергии на передачу. Такое неоптимальное расходование электроэнергии уменьшает время автономной работы сенсорного модуля без замены элементов питания, которое является одной из ключевых характеристик беспроводной системы. Дополнительно, обработка данных непосредственно в сенсорном модуле дает возможность оперативного управления параметрами датчика физической величины, например его чувствительностью, в зависимости от результатов измерений. Поэтому отсутствие в сенсорном модуле прототипа первичной обработки данных ограничивает его возможности измерения.
Система прототипа сконструирована для мониторинга аварийных ситуаций на объектах, при этом в нормальном (безаварийном) режиме работы объекта, когда контролируемые параметры находятся в пределах нормы, сенсорные модули либо не выходят в эфир, либо могут передавать информацию об измеряемой величине или информацию самодиагностического характера по запросу базовой станции или по заранее определенному расписанию, при этом возможность одновременной передачи от всех сенсорных модулей системы не рассматривается. Ситуация, когда все сенсорные модули системы одновременно выйдут в эфир, вызовет перегрузку базовой станции, которая будет не в состоянии принять сигналы от всех сенсорных модулей сразу, возникнут конфликты приема, которые неизбежно приведут к потере информации. Таким образом, система прототипа не предусматривает возможность бесконфликтной передачи данных с большого числа сенсорных модулей системы без потерь информации.
Возможность конфликтов заложена в самой архитектуре системы, в которой сенсорный модуль имеет возможность обмениваться информацией и с ретранслятором, и с базовой станцией, а это означает, что передача происходит на одной частоте или в одном диапазоне частот. Так, например, если сенсорный модуль передает сообщение на базовую станцию, а в пределах досягаемости модуля находится базовая станция и несколько ретрансляторов, то на базовую станцию придет сигнал от самого сенсорного модуля и одновременно с ним придут сигналы от ретрансляторов, что вызовет конфликт приема на базовой станции.
Задача изобретения состоит в создании беспроводного способа мониторинга технических параметров промышленных объектов и системы для его осуществления, отвечающих высоким требованиям по энергосбережению, надежности и масштабируемости сети.
Поставленная задача решается беспроводной системой мониторинга технических параметров промышленных объектов, содержащей базовую радиостанцию, снабженную электропитанием, соединенную беспроводным каналом с информационно-измерительными устройствами, каждое из которых представляет собой сенсорный модуль. В корпусе последнего размещены источник питания, датчик физических величин, первичное устройство для передачи данных. Сенсорные модули разбиты на группы и каждая группа связана с базовой радиостанцией беспроводной связью через свое приемо-передающее устройство, а базовая радиостанция связана проводным каналом с автоматическим рабочим местом, которое содержит в своем составе средства математической обработки получаемой информации и средства отображения результатов обработки информации, а также устройства накопления получаемой информации. Каждый сенсорный модуль дополнительно содержит электрически связанное с датчиком физических величин первичное устройство обработки данных, которое электрически связано с первичным устройством для передачи данных. Первичное устройство обработки данных имеет возможность управлять параметрами датчика физической величины в зависимости от результатов измерений. Приемо-передающие устройства представляют собой маршрутизаторы, каждый из которых снабжен вторичным устройством обработки данных, при этом маршрутизаторы имеют возможность связываться между собой беспроводной связью. Беспроводной канал между сенсорным модулем и базовой станцией может содержать дополнительно последовательно установленные маршрутизаторы. Маршрутизаторы могут быть снабжены своей группой сенсорных модулей.
Способ осуществления мониторинга технических параметров промышленных объектов включает измерение технических параметров датчиками физических величин, которые вырабатывают электрические аналоговые сигналы; передачу данных по первичному беспроводному каналу на маршрутизатор, в котором они группируются в один пакет и передаются по вторичному беспроводному каналу на базовую радиостанцию, связанную проводным каналом с автоматическим рабочим местом, где происходит математическая расшифровка полученных информационных пакетов, при этом значения измеренных физических величин, выраженные в соответствующих единицах измерения физических величин (например, давление выражено в мегапаскалях, температура - в градусах Цельсия и т.д.), имеют возможность отображаться на элементах индикации автоматического рабочего места и записываться устройствами накопления информации; диагностику состояния системы мониторинга, которую производят путем регистрации в каждом сенсорном модуле его внутренней температуры и напряжения источника питания и последующей проверкой полученных значений на достоверность на автоматическом рабочем месте. Способ отличается от прототипа тем, что в сенсорном модуле осуществляют первичную математическую обработку данных путем накопления, усреднения и линеаризации данных, перевода данных в принятые единицы измерения физических величин, преобразования аналоговых электрических сигналов, поступающих от вышеупомянутых датчиков с учетом их характеристик в цифровой код, содержащий информацию о физических величинах, выраженных в соответствующих единицах измерения физических величин; передачу данных по первичному и вторичному беспроводному каналу производят на своем частотном диапазоне, при этом частотные диапазоны не имеют перекрытия частот, кроме этого сенсорные модули одной группы работают на одной и той же частоте во временной последовательности, причем каждый сенсорный модуль группы обменивается данными с маршрутизатором в отведенный ему период времени, передача данных от маршрутизатора на базовую станцию также происходит во временной последовательности в отведенный ему период времени.
Система построена по двухуровневому принципу. На каждом из двух уровней передача информации проводится по беспроводному радиоканалу на своем частотном диапазоне. Частотные диапазоны не имеют перекрытия частот. Нижний уровень, формирующий первичный беспроводной канал, состоит как минимум из одной независимой группы, в состав которой входит один маршрутизатор и как минимум один сенсорный модуль. Группы в нижнем уровне построены по схеме звезда. Центральным узлом звезды является маршрутизатор. Периферийными элементами звезды являются сенсорные модули. Все элементы одной группы работают на одной и той же частоте, разделение внутри группы происходит по временной последовательности. При этом каждый сенсорный модуль группы обменивается данными с маршрутизатором в отведенный ему период времени. Указанный промежуток времени периодически повторяется. Период повторения может изменяться в зависимости от требований к системе мониторинга. Например, в описанной ниже системе для мониторинга подземного хранилища газа период повторения составлял 15 с. Таким образом, решается задача бесконфликтной передачи данных от нескольких источников. Территориально соседние группы нижнего уровня работают на различных частотах, принадлежащих к выбранному частотному диапазону и поэтому не могут конфликтовать между собой.
Верхний уровень, формирующий вторичный беспроводной канал, включает базовую станцию и маршрутизаторы. Маршрутизатор принимает решение о маршруте пересылки пакетов данных в зависимости от состояния сети. Маршрутизаторы имеют возможность обмениваться информацией между собой, а в цепочке между сенсорным модулем и базовой станцией может работать как один, так и несколько маршрутизаторов. Такая конфигурация позволяет передавать данные на значительные расстояния с помощью маломощных передатчиков, не требующих специальных разрешений, и покрывать сенсорной сетью объекты, протяженность которых значительно превосходит дальность связи отдельно взятого передатчика. Все элементы верхнего уровня работают на одной частоте. Каждый маршрутизатор принимает данные от своей группы сенсорных модулей и формирует информационный пакет, который отправляет на базовую станцию. Передача от маршрутизаторов на базовую станцию происходит по временной последовательности. При этом каждый маршрутизатор обменивается данными с базовой станцией в отведенный ему период времени. Такая архитектура пригодна для непрерывного мониторинга, когда все датчики системы постоянно передают данные, и исключает конфликты при приеме данных от разных источников и связанные с этим потери информации.
Базовая радиостанция связана проводным каналом с автоматическим рабочим местом, где происходит математическая расшифровка полученных информационных пакетов. При этом значения измеренных физических величин, выраженные в соответствующих единицах измерения физических величин, отображают на элементах индикации автоматического рабочего места и записывают устройствами накопления информации. Одновременно с измерениями основных параметров производят диагностику состояния системы мониторинга путем регистрации в каждом сенсорном модуле его внутренней температуры и напряжения источника питания и проверкой полученных значений на достоверность на автоматическом рабочем месте. Конфигурация сенсорного модуля, содержащая первичное устройство обработки данных, позволяет разгрузить компьютер автоматического рабочего места, поскольку многочисленные рутинные операции обработки данных с каждого датчика выполняются непосредственно в соответствующем сенсорном модуле. Кроме того, такая конфигурация экономит энергопотребление сенсорного модуля, поскольку обработанные данные занимают значительно меньший объем при передаче, чем исходные данные, полученные от датчика, и на передачу обработанных данных требуется меньше энергии. Первичное устройство обработки данных считывает информацию с датчика физической величины с учетом его уникальных характеристик и выражает данные в принятых единицах измерения соответствующей физической величины. Такое решение позволяет учесть уникальные свойства датчика и обеспечивает сохранение точности измерений при замене неисправного сенсорного модуля. Кроме того, устройство обработки данных имеет возможность управлять параметрами датчика физической величины, например его чувствительностью, в зависимости от результатов измерений. Это расширяет диапазон измерений сенсорного модуля.
На фиг.1 показана структурная схема предложенной системы мониторинга технических параметров промышленных объектов, на фиг.2 - структурная схема сенсорного модуля, на фиг.3 показана диаграмма выходов в эфир сенсорных модулей в составе одной группы.
Ниже показано применение предложенной системы для мониторинга территориально распределенных объектов на примере подземного хранилища газа (ПХГ), где необходимо осуществить мониторинг скважинных полей. Газовые скважины на ПГХ, как правило, располагаются на территории до десятка квадратных километров, при расстояниях между скважинами 100-500 метров, при этом на подавляющем большинстве газовых хранилищ кабельные связи и линии электропитания между скважинами и диспетчерским пунктом отсутствуют. В связи с этим автоматизированное наблюдение за параметрами скважин в условиях отсутствия кабельных коммуникаций представляет собой достаточно сложную задачу. Данную задачу позволила решить беспроводная сенсорная сеть.
Система мониторинга технических параметров промышленных объектов содержит базовую радиостанцию 1, снабженную электропитанием и электрически связанную с автоматическим рабочим местом 2. На устье каждой скважины установлен маршрутизатор 3, связанный беспроводной связью с несколькими сенсорными модулями 4 и базовой радиостанцией 1. При этом в цепочке между сенсорным модулем и базовой радиостанцией может находиться один и более одного маршрутизатора. Сенсорный модуль 4 содержит датчик физических величин 5, электрически связанный с первичным устройством обработки данных 6, обеспечивающим импульсный режим работы сенсорного модуля 4. Первичное устройство обработки данных 6 электрически связано с первичным устройством для передачи данных 7 и в нем имеется элемент, регистрирующий внутреннюю температуру сенсорного модуля 8 и напряжение источника питания 9. Маршрутизатор 3 состоит из приемного устройства, вторичного устройства обработки данных и источника электропитания (не показано). Автоматическое рабочее место 2 содержит в своем составе средства математической обработки получаемой информации и средства отображения результатов обработки информации, а также устройства накопления получаемой информации.
Таким образом, все маршрутизаторы в режиме связи с базовой радиостанцией являются периферийными элементами верхнего уровня сенсорной сети, и те же маршрутизаторы, но в режиме опроса сенсорных модулей, являются центральными элементами узлов нижнего уровня сети.
1
2
Мониторинг территориально распределенных объектов осуществляется следующим образом. Датчики физических величин 5 вырабатывают электрический аналоговый сигнал, величина которого зависит от величины регистрируемых физических величин. В нашем примере это может быть буферное, затрубное, межколонное, струнное давление газа и температура газа в струне, а также датчик выноса песка из скважины и т.д. От датчиков 5 данные поступают в первичное устройство обработки данных 6, которое управляет диапазоном чувствительности датчика 5, в зависимости от величины вырабатываемого датчиком 5 сигнала. В первичном устройстве обработки данных 6 осуществляется математическое преобразование аналоговых электрических сигналов в цифровой код, содержащий информацию о физических величинах, выраженных в соответствующих единицах измерения физических величин, а также преобразование значения величины напряжения источника питания в цифровой код и значение внутренней температуры устройства обработки в соответствующий цифровой код. Далее данные посредством беспроводной связи поступают на соответствующие маршрутизаторы 3, при этом сенсорные модули в пределах одной группы обмениваются данными со своим маршрутизатором в отведенный каждому модулю свой период времени. На фиг.3 показана диаграмма выходов в эфир сенсорных модулей в составе одной группы. В момент времени t в эфир выходит сенсорный модуль 4.1, а все остальные модули этой группы в эфир не выходят. Затем в момент времени t в эфир выходит только сенсорный модуль 4.2. И так далее продолжается, пока все модули этой группы не передадут данные на маршрутизатор. Затем цикл повторяется. Маршрутизаторы 3 обеспечивают прием информации, а затем, объединив несколько информационных пакетов в единый вторичный информационный пакет, передают его по вторичному беспроводному радиоканалу на базовую радиостанцию 1. Передача данных от маршрутизаторов на базовую радиостанцию организована аналогично передаче от сенсорных модулей маршрутизатору (см. фиг.3). Базовая радиостанция связана с автоматическим рабочим местом 2, где происходит математическая расшифровка получаемых информационных пакетов, при этом получаемое значение величины напряжения электропитания и значение внутренней температуры устройства обработки являются критерием исправности регистрирующих и передающих каналов системы мониторинга, а значения измеренных физических величин, выраженные в соответствующих единицах измерения физических величин отображается на элементах индикации автоматического рабочего места 3 и записываются устройствами накопления информации.
Регистрация измеряемых параметров на скважинах может производиться с интервалом в 15 секунд, результаты каждого акта регистрации записываются в буфер памяти сенсорного модуля 4. Текущее значение регистрируемой величины (на выходе аналого-цифрового преобразователя) сравнивается с предыдущим (хранящемся в буфере памяти) и, если отличие превышает два младших разряда (0,1% от динамического диапазона), производится автоматическая передача регистрируемой величины от сенсорного модуля 4 на маршрутизатор 3, в противном случае сенсорный модуль 4 в эфир не выходит. Но, независимо от текущих значений регистрируемых величин, каждые 2 минуты осуществляется принудительная передача данных. Таким образом, в течение суток проводится более 5000 замеров каждого из регистрируемых параметров.
Импульсный режим работы позволил снизить электропотребление, приведенное к среднему постоянному уровню, до 15 мкА.
Проведены испытания системы мониторинга на территориально распределенных объектах контроля. Система позволила собирать данные с большого числа сенсорных модулей (до 1000 ед.), расположенных на территории до 10 км. В процессе эксплуатации системы было показано, что исследования режимов работы скважин возможно проводить непосредственно как в период отбора газа, так и в период закачки без останова скважин.