СИСТЕМА, УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ОТ ДАТЧИКА КОМПОНЕНТА СИСТЕМЫ, РАСПОЛОЖЕННОГО В ОПАСНОЙ ЗОНЕ
SYSTEM, DEVICE AND METHOD OF TRANSMITTING INFORMATION FROM SYSTEM COMPONENT SENSOR LOCATED IN HAZARDOUS ZONE

Перекрестная ссылка на родственную заявку
Данная заявка заявляет приоритет предварительной заявки №60/956622, поданной 17 августа 2007 г., под названием "In-Station Diagnostics Communication System", которая, таким образом, включена в данный документ.
Научные исследования и опытно-конструкторские разработки, финансируемые федеральным правительством, отсутствуют.
Область технического применения
Изобретение, в общем, относится к устройствам, системам и способам текущего контроля и передачи информации от датчика, расположенного в зоне повышенного риска, включая опасную атмосферу и/или опасное оборудование, и/или частицы, посредством датчиков, и передачу информации от датчика к системе внутренней диагностики при условии поддержания безопасности в зоне повышенного риска.
Предпосылки изобретения
К опасным зонам относятся зоны повышенного риска с высокой вероятностью возникновения пожаров и взрывов. Данная вероятность может быть обусловлена присутствующими в атмосфере легковоспламеняющимися топливами, их парами или тонкоизмельченной пылью, а также наличием легковоспламеняющихся волокон или других летучих частиц. Зоны повышенного риска также могут возникать при обычной обработке некоторых легколетучих химических веществ, топлив, зернистых материалов и т.п., а также в результате случайного выхода из строя систем хранения. Кроме того, зона повышенного риска может образоваться в ходе обычного технического обслуживания при испарении легколетучих растворителей или жидкостей с образованием взрывоопасной атмосферы.
Примером зон повышенного риска являются зоны заправочных станций, например, обычных розничных бензозаправочных станций. На заправочных станциях взрывоопасные топливные материалы транспортируются от топливных резервуаров к заправочным колонкам. При помощи заправочных колонок пользователи могут, используя топливную форсунку заправочной колонки, заполнить топливом их транспортные средства. Обычно топливный резервуар топливной системы размещается под землей. Топливная система, как правило, включает в себя несколько заправочных колонок, каждая из которых обычно имеет две раздаточные точки, расположенные одна напротив другой (т.е. два агрегата, каждый из которых включает в себя рукав и раздаточную форсунку, например, встроенную заправочную форсунку с улавливанием паров HEALY™).
Для транспортировки топлива из подземного топливного резервуара к заправочным колонкам топливная система использует систему подачи топлива. Система подачи топлива обычно включает в себя трубопровод подачи топлива, представляющий собой общий трубопровод для доставки топлива из топливного резервуара к ветвям топливной магистрали, связанным, соответственно, с каждой из заправочных колонок. Каждая из ветвей топливной магистрали затем разделяется на две магистрали подачи топлива, обеспечивающие подачу топлива к каждой из раздаточных точек определенной одной из заправочных колонок. Каждая из магистралей подачи топлива содержит датчик расхода топлива. Каждый из датчиков расхода топлива генерирует электрический сигнал, указывающий на количество топлива, протекающего через счетчик и, соответственно, попадающего в транспортное средство. Сигналы от датчиков расхода топлива передаются в центральный контроллер, обычно расположенный в здании заправочной станции.
Современная топливная система часто также включает в себя вспомогательную систему улавливания паров. Термин «вспомогательный» в названии этой системы используется потому, что для помощи в улавливании паров она использует вакуумный насос, обычно расположенный на каждой заправочной колонке. Как и система подачи топлива, система улавливания паров обычно включает в себя общую магистраль возврата паров, представляющую собой общий трубопровод возврата паров, который возвращает пары топлива или атмосферный воздух от каждой из раздаточных точек к подземному топливному резервуару. Каждая из раздаточных точек связана с магистралью возврата паров из раздаточной точки. Две раздаточные магистрали возврата паров для каждой из раздаточных точек связаны с соответствующим распределителем, который соединен с магистралью возврата паров из заправочной колонки. Каждая магистраль возврата паров из заправочной колонки соединена с общей магистралью возврата паров. В линию с каждой магистралью возврата паров из заправочной колонки расположены вакуумный насос и датчики возвратного потока (т.е. с каждой заправочной колонкой связан один вакуумный насос и один счетчик возвратного потока). Для сигнального оповещения о давлении в топливном резервуаре в линию с каждой магистралью возврата паров из заправочной колонки расположен датчик давления пара. Сигналы из датчиков возвратного потока и датчика давления пара также электрически передаются в центральный контроллер.
Вакуумные насосы создают вакуум, всасывающий пары (пары топлива или атмосферный воздух) через форсунки, в конечном счете, в топливный резервуар. Счетчики возвратного потока генерируют электрический сигнал, указывающий на величину возвратного потока паров в направлении топливного резервуара через соединенную с ними магистраль паров заправочных колонок.
Обычно система также включает в себя датчик уровня топлива, который генерирует сигнал уровня топлива, указывающий на уровень топлива в топливном резервуаре. Этот сигнал также передается в центральный контроллер. На основе данных об уровне топлива в топливном резервуаре, а также об объеме топливного резервуара центральный контроллер способен определить объем незаполненной части топливного резервуара (степень незаполненности резервуара).
При перекачке топлива из топливного резервуара в топливный бак транспортного средства топливо движется в одну сторону, в то время как его пары перемещаются в противоположном направлении. Топливо и его пары представляют собой огнеопасные вещества, для которых требуется поддержание высокого уровня безопасности. Сочетание топлива и его паров с электрическими устройствами топливной системы, описанными выше, представляет собой потенциально опасную комбинацию. Ниже приведены стандартные способы снижения опасности данного сочетания.
Возможно осуществление защиты электрооборудования, например датчиков, расположенных в зонах повышенного риска, или предупреждение выделения электрооборудованием энергии, достаточной для воспламенения огнеопасных топлив, паров или частиц, присутствующих в зоне повышенного риска. Существует несколько способов защиты оборудования, находящегося в зонах повышенного риска. Два способа обеспечения защиты потенциально опасного оборудования связаны с использованием технологий взрывостойкости и искробезопасности.
Безопасность устройств высокой мощности обычно обеспечивается посредством взрывостойкого оборудования. Данное взрывостойкое оборудование снижает опасность взрыва за счет использования взрывостойкого корпуса, который имеет конструкцию, достаточно прочную для того, чтобы выдержать взрыв огнеопасных паров при их попадании в корпус устройства высокой мощности с последующим воспламенением. Конструкция корпуса взрывостойкого оборудования позволяет охладить и выпустить продукты сгорания таким образом, чтобы не допустить воспламенения окружающей атмосферы. Взрывостойкое оборудование обычно используется для размещения устройств высокой мощности: двигателей, насосов и т.п. Электропроводка для взрывостойких устройств также должна размещаться во взрывостойких трубопроводах. Устройства, требующие подобного взрывостойкого оборудования, как правило, называются взрывозащищенными или взрывостойкими устройствами.
Технологии искробезопасности для обеспечения безопасности искробезопасных устройств используют т.н. искробезопасное (ИБ) оборудование, которое согласно ANSI/ISA RP12.06.01-1995 (R2002 «Правила эксплуатации электропроводки для контрольно-измерительного оборудования в местах, классифицированных как опасные, часть 1: искробезопасность» (бывш. ANSI/ISA RP12.6-1995)), представляет собой «оборудование и электропроводку, лишенную способности выделять значительные количества электрической или тепловой энергии при нормальных или ненормальных условиях, приводя к воспламенению специфической взрывоопасной воздушной смеси в наиболее легковоспламеняемой концентрации».
Безопасность ИБ-устройства, например датчика, обеспечивается посредством ИБ-оборудования, например, ИБ-барьера, который представляет собой электрическую схему, ограничивающую количество электроэнергии, подаваемой на ИБ-устройство, до уровня, ниже которого воспламенения топлива, паров или частиц не происходит. Подаваемая на ИБ-устройство электроэнергия, а также управляющие и измерительные сигналы к ИБ-устройству и/или от него должны проходить через ИБ-барьер.
Искробезопасность обычно применяется в устройствах малой мощности, включая различные типы зондов и датчиков, являющихся составными частями системы внутренней диагностики. Электропроводка для подобных ИБ-устройств должна быть отделена от электропроводки устройств, не являющихся ИБ. Поэтому обычно она проходит по отдельным трубопроводам.
Помимо требований, которым должны удовлетворять современные заправочные станции в аспекте обеспечения безопасности зон повышенного риска, от многих современных розничных заправочных станций также требуется обеспечение внутренней диагностики (ВД) для текущего контроля систем регенерации топлива. Повышенные нормы по охране окружающей среды, такие как Требования уровня II к системам улавливания паров, предложенные федеральным правительством и органами местного самоуправления, предполагают непрерывное подтверждение заправочными станциями надлежащей работы систем регенерации топлива.
При значительном нарастании давления паров в системе регенерации топлива система выпускает избыточное давление пара в оборудование через предохранительный клапан. Для минимизации выбросов в окружающую среду от заправочной станции требуется обеспечение текущей информации о давлении паров, величине потока паров и количестве топлива в подземном топливном резервуаре, например, как совершается системой управления парами и ее датчиками. Для модернизации в соответствии с Требованиями уровня II к системам улавливания паров заправочные станции нуждаются во внедрении соответствующих компонентов, включая датчики, а также во внедрении безопасных устройств (взрывостойкого и ИБ-оборудования), которые необходимы для обеспечения безопасности указанных компонентов. Как отмечено выше, указанные датчики расположены в зонах повышенного риска, поэтому они, как и их электропроводка, требуют использования искробезопасного оборудования. На заправочных станциях, введенных в эксплуатацию недавно, для размещения ИБ электропроводки, обеспечивающей безопасность датчиков и соответствующей электропроводки, можно без затруднений задействовать отдельный подземный ИБ-трубопровод.
Напротив, при внедрении внутренней диагностики уровня II для обеспечения безопасности контактов датчиков на уже существующей заправочной станции, которая не имеет установленного ИБ-трубопровода, необходимо разрушение дорожного покрытия и/или бетона. Иными словами, в случае, когда монтаж датчиков, используемых для внутренней диагностики, осуществляется в процессе модернизации, отсутствует отдельный трубопровод, пригодный для прокладки новой искробезопасной электропроводки, которая необходима для работы датчиков.
При внедрении внутренней диагностики на уже существующей заправочной станции необходимо разрушение дорожного покрытия и/или бетона для соединения датчиков и их электропроводки, расположенных, например, в подземных резервуарах, со зданием, в котором находится центральный контроллер, способный запустить процесс внутренней диагностики. Расходы на монтажные работы в этом случае будут высоки и могут превысить стоимость самой системы.
Раскрытия настоящего изобретения позволяют снизить стоимость монтажа системы внутренней диагностики для текущего контроля зон повышенного риска в тех случаях, когда необходима модернизация оборудования.
Раскрытия настоящего изобретения предоставляют альтернативный способ передачи данных и устройство для передачи информации от датчиков, находящихся в зоне повышенного риска, в центральный контроллер, находящийся за пределами зоны повышенного риска.
Краткое описание графических материалов
Фиг.1 - иллюстративное представление предпосылок изобретения в аспекте обеспечения безопасности в месте концентрации опасности, например, на заправочной станции, включающей в себя системы улавливания паров и внутренней диагностики.
Фиг.2 - иллюстративное представление системы текущего контроля и/или контроля в опасной зоне в соответствии с вариантом осуществления изобретения, применимым к заправочной станции.
Фиг.3 - иллюстративное представление концентратора данных в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Фиг.4 - иллюстративное представление двух типов конструкций ИБ-барьеров согласно изобретению.
Описание изобретения
Несмотря на то, что данное изобретение допускает реализацию во множестве разнообразных форм, здесь будет подробно описан специфический вариант его осуществления. Однако следует понимать, что настоящее раскрытие должно рассматриваться как пример, иллюстрирующий принципы изобретения, который не преследует цели ограничения объема изобретения приведенными иллюстративными вариантами его осуществления.
В соответствии с настоящим изобретением предлагаются система, способ и устройство, позволяющие осуществлять передачу информации между устройством, расположенным в зоне повышенного риска, и центральным монитором/контроллером.
Варианты осуществления настоящего раскрытия снижают стоимость монтажа системы внутренней диагностики осуществляющей текущий контроль опасных зон, которая требует модернизации установки искробезопасного оборудования.
Кроме того, для текущего контроля опасных зон при помощи внутренней диагностики, настоящее раскрытие предоставляет расширенные возможности передачи информации от датчика к локальным, удаленным и центральным мониторам/контроллерам.
Еще одним примером преимущества настоящего раскрытия является возможность локального отключения заправочной колонки раскрытым в изобретении концентратором данных без необходимости прекращения подачи электроэнергий ко всей заправочной колонке, чего требуют традиционные системы. Иными словами, концентратор данных может отключить только неисправную сторону заправочной колонки, допуская перекачку топлива другой ее стороной.
На фиг.1 показана традиционная система 10 текущего контроля опасной зоны посредством внутренней диагностики с использованием центрального монитора/контроллера 12, содержащего интегрированный ИБ-барьер 14. Данная система для прокладки электропроводки между ИБ-барьером и любым другим ИБ-устройством 18а-d, текущий контроль которого осуществляется, требует наличия ИБ-трубопроводов 16.
Также на фиг.1 показан пример заправочной станции с зоной повышенного риска, которая, в общем случае, включает в себя несколько зон повышенного риска, расположенных вокруг датчиков 18а-е, текущий контроль которых осуществляется теми же датчиками 18a-d. Показаны основные составляющие заправочной станции. Легко видимы здание заправочной станции 20, две заправочных колонки 22а и 22b. Под землей расположен топливный резервуар 24 и его погружной насос 26. Погружной насос 26 является примером потенциально опасного устройства высокой мощности, способного приводить к взрыву. Поэтому насос 26 требует взрывостойкого оборудования.
Как показано на фиг.1 взрывостойкий трубопровод 28 вмещает электропроводку, которая проходит между электрическим щитом 29, расположенным в здании заправочной станции, к зоне повышенного риска, в которой установлены заправочные колонки 22а и 22b. Потенциально опасные устройства - подземный топливный резервуар 24, насос 26 и ИБ-устройства 18а-е - обычно размещаются под землей.
На фиг.1 показана заправочная станция после ввода в эксплуатацию центрального монитора/контроллера 12 традиционным способом. Центральный монитор/контроллер 12 осуществляет внутреннюю диагностику, измеряя количество паров бензина, вытекающих из системы улавливания паров, входящей в состав топливной системы, и, таким образом, попадающих в окружающую среду через предохранительный клапан 39. Во время перекачки пользователем бензина из устройства перекачки горючего в топливный бак транспортного средства система улавливания паров собирает пары бензина из топливного бака транспортного средства. Согласно требованиям регулятивных органов федеральных, государственных, окружных, муниципальных и местных властей, таких как агентства по охране окружающей среды, комитеты по охране воздушных ресурсов и департаменты здравоохранения, необходимым является использование специального стандарта оборудования, которое поддерживает количество паров топлива, попадающих в окружающую среду, на минимальном уровне.
Как было отмечено выше, одним из таких требований является наличие системы улавливания паров уровня II, которая состоит из специальных форсунок и коаксиальных рукавов на каждом бензонасосе, захватывающих в процессе заправки пары из топливного бака транспортного средства и направляющих их в подземные или наземные топливные резервуары. Как показано и отмечено выше, потенциально опасные устройства (например, датчики 18а-е) в искробезопасном исполнении являются составной частью системы улавливания паров и обычно расположены под заправочными колонками 22а, 22b. Для осуществления внутренней диагностики при помощи датчиков 18а-е с сохранением надлежащего уровня безопасности предыдущие разработки требуют монтажа дополнительного ИБ-трубопровода 16. Этот дополнительный ИБ-трубопровод 16 содержит ИБ-электропроводку, соединяющую центральный монитор 12 с датчиками 18а-d. Кроме того, ИБ-трубопровод 16 отделяет линию электропередачи 52 (фиг.2) от электрооборудования в ИБ-трубопроводе 16. В случае модернизации, для монтажа необходимого дополнительного ИБ-трубопровода 16 требуются значительные разрушения дорожного покрытия и/или бетона 30.
На фиг.2 показан вариант осуществления настоящего изобретения 40. Система 40 включает в себя центральный контроллер данных 56, концентраторы данных 50а-с и линию электропередачи 52. Линия электропередачи осуществляет электропитание системы, а также обеспечивает канал связи между концентратором данных 50 и центральным контроллером 56.
Система 40 может содержать концентратор данных 50 (50а, 50b) на каждой заправочной колонке (22а, 22b) и концентратор данных 50с - под землей на насосе 26, а также в любом другом месте: под землей, в здании заправочной станции 60, снаружи заправочной колонки 22 и т.д., до тех пор, пока функциональность концентратора данных сохраняется.
Здание заправочной станции 60 может вмещать центральный монитор/контроллер 56, сконфигурированный для получения информации от датчиков через линию электропередачи 52, которая соединена с концентратором данных 50. Линия электропередачи 52 между концентратором данных и источником питания 100 расположена во взрывостойком трубопроводе 54. Источник питания 100, как правило, находится в здании заправочной станции 60.
В качестве примера, функционирование системы 40 включает в себя передачу информации от датчика 18а через ИБ-барьер 70 (фиг.3). После прохождения ИБ-барьера 70 информация от датчика обрабатывается в концентраторе данных 50. Концентратор данных 50 посредством линии электропередачи 52 пересылает информацию от датчика в центральный контроллер 56 для осуществления внутренней диагностики. Таким образом, масштаб разрушений дорожного покрытия и бетона, необходимых для обеспечения передачи информации от датчика 18а к концентратору данных 50а, уменьшается. Предшествующие разработки требуют для передачи информации от датчика к ИБ-барьеру, расположенному в здании заправочной станции 60, более значительных (разрушений дорожного покрытия/бетона, поскольку для их реализации необходим ИБ-трубопровод (фиг.1).
Другая информация, например информация от датчиков давления паров и уровня топлива, также может быть отправлена в центральный контроллер 56 в здании заправочной станции 60 посредством вариантов осуществления концентратора данных 50 и линии электропередачи 52. Потенциально опасны устройства, требующие ИБ-барьеров: расходомеры паров, датчики давления паров и уровня топлива в резервуаре (ИБ-устройства). Как правило, эти устройства расположены в резервуарах, относящихся к заправочным колонкам или топливным бакам. Резервуары, как правило, размещаются в зонах повышенного риска.
В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.2, концентратор данных 50 опасной зоны размещен в корпусе заправочной колонки (22а, 22b). Концентратор данных 50 опасной зоны может быть расположен в любой части системы: под землей, в здании заправочной станции 60, снаружи топливной колонки 22 и т.д., при условии сохранения его функциональности, т.е. при условии передачи данных от датчика к центральному монитору/контроллеру 56 по линии электропередачи 52. Центральный монитор/контроллер показан в заправочной станции 60. Центральный монитор/контроллер 56 может быть расположен в любом месте при условии возможности подключения к нему модулятора 80 высокочастотной связи по линиям электропередачи (ВЧ-связи по ЛЭП), например, модема ВЧ-связи по ЛЭП (фиг.3), для получения информации от датчиков, например, датчика 18а, посредством линии электропередачи 52.
Как показано на фиг.3, один из вариантов осуществления концентратора данных 50 включает в себя: модем ВЧ-связи по ЛЭП 80, по меньшей мере, одно искробезопасное барьерное устройство 70, локальный контроллер 90, интерфейс линии связи 300, интерфейс линии электропередачи 200. Модулятор ВЧ-связи по ЛЭП 80 модулирует полученную от датчика (например, датчика 18а) информацию таким образом, чтобы ее можно было отправить по линии электропередачи 52 в центральный монитор/контроллер 56. Модулятор ВЧ-связи по ЛЭП включает в себя аналоговые и/или цифровые модуляторы. В случае модема ВЧ-связи по ЛЭП 80 модулятор настраивается на передачу данных в соответствии с протоколом ВЧ-связи по ЛЭП, например, в соответствии со стандартом Homeplug Command and Control (HPCC).
Компания Yitran Communications Ltd. поставляет технологии HPCC, которые также лицензируются компанией Renesas Technology и могут быть использованы с вариантами осуществления изобретения. Модулятор ВЧ-связи по ЛЭП может осуществлять модуляцию сигнала как перед, так и после обработки или управления информацией с датчика посредством локального контроллера 90.
В альтернативном варианте осуществления изобретения локальный контроллер 90 в качестве составной части концентратора данных 50 не требуется. Иными словами, информация от датчика может регулироваться ИБ-барьером 70 и модулируется модулятором ВЧ-связи по ЛЭП, например модемом 80 ВЧ-связи по ЛЭП, без какой-либо дополнительной обработки, а затем передается модемом 80 через интерфейс линии электропередачи 200. Модулированная информация с датчика может обрабатываться в центральном мониторе/контроллере 56.
Другие варианты осуществления концентратора данных 50 могут содержать описанные внутренние функциональные средства в отдельном корпусе. Другие варианты осуществления концентратора данных опасной зоны могут включать дополнительные устройства из ряда: запоминающее устройство, другие барьерные устройства, индикаторы, диагностические и другие интерфейсы, процессы расчета отношения (A/L отношение) воздуха или паров (А) к жидкости (L) и получения данных о давлении в незаполненном объеме резервуара, и т.п.
В альтернативном варианте осуществления изобретения функции внутренней диагностики центрального контроллера/монитора 56 может выполнять один или несколько концентраторов данных 50, т.е. наличие отдаленного центрального монитора/контроллера не является обязательным для системы 40. Кроме того, поскольку информация с датчиков передается по линии электропередачи 52, процессы внутренней диагностики могут быть распределены между любой комбинацией концентраторов данных 50 и центральным монитором/контроллером 56.
Также в других вариантах осуществления изобретения концентратор данных опасной зоны 50 может являться автономным устройством или устройством, которое подключается к другому устройству в качестве модуля, и/или коммуникативно подключается к центральному монитору/контроллеру 56 согласно правилам через централизованную или распределенную сетевую схему.
На фиг.2 показан один из вариантов осуществления центрального монитора/контроллера 56. В других вариантах осуществления центральный монитор/ контроллер 56 может находится в одном корпусе с модулятором ВЧ-связи по ЛЭП, например модемом ВЧ-связи по ЛЭП, показанным на иллюстрации. Кроме того, линия связи, показанная между центральным монитором/контроллером 56 и модемом ВЧ-связи по ЛЭП, может быть убрана, а все данные могут передаваться от устройства к устройству по линии электропередачи 59.
На фиг.4 показаны два варианта осуществления ИБ-барьеров 70 (70а, 70b) согласно изобретению. Приведенные схемы можно использовать для ограничения напряжения и силы тока, подаваемого на датчики 18а-е, так что при достижении небезопасного порогового значения силы тока, схема датчика поддерживает ее значения на безопасном уровне посредством, например, плавкого предохранителя.
В других вариантах осуществления изобретения, как нетрудно предположить, являясь средним специалистом в данной области техники, ИБ-барьер 70 можно разместить снаружи концентратора данных опасной зоны 50.