ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ГРУПП РЕЗЕРВУАРОВ ХРАНЕНИЯ ЖИДКИХ ИЛИ ГАЗООБРАЗНЫХ ГОРЮЧИХ ПРОДУКТОВ
MEASUREMENT SYSTEM FOR GROUPS OF RESERVOIRS FOR STORAGE OF LIQUID OR GASEOUS FLAMMABLE PRODUCTS

Изобретение относится к технике измерения и учета нефтепродуктов при их приеме, хранении и реализации. В частности, изобретение относится к учету нефтепродуктов в специальных резервуарах, предназначенных для хранения или накопления жидких продуктов.
Эти резервуары образуют так называемые резервуарные парки. Для контроля за состоянием резервуарных парков они оснащаются измерительными системами, в состав которых входят датчики уровня, плотности, температуры, концентрации взрывоопасных паров и газов, а также наличия подтоварной воды. В измерительных системах резервуарных парков данные от датчиков, определяющих параметры жидких горючих продуктов в каждом из резервуаров, поступают в общий центр приема. В центре приема данные от датчиков анализируются, и оператором центра приема вырабатывается тактика работы с жидкими горючими продуктами в резервуарах. Особенностью измерительных систем резервуарных парков является высокий уровень требований к измерительным системам в отношении пожаровзрывобезопасности.
Известны измерительные системы резервуарных парков, в которых в целях безопасности передача измерительных данных от датчиков в центр приема осуществляется гидравлическим или пневматическим путем. К таким измерительным системам относится, например, измерительная система, описанная в патенте JP №59-106799, В65В 31/00, F17С 9/00 от 20.06.1984.
Однако передача данных таким путем требует серьезных капитальных затрат при строительстве или расширении резервуарного парка. Поэтому в измерительных системах происходит переход на передачу данных от датчиков в центр приема по проводным линиям или по радиоэфиру. Принимая во внимание, что датчики находятся во взрывоопасной зоне, подключать их к какой-то внешней силовой электросети является недопустимым. А прокладка проводных линий связи требует также больших капитальных затрат.
Передачу данных от датчиков в центр приема по радиоэфиру использует и наиболее близкая по технической сущности к заявляемой измерительная система, описанная в патенте ЕР №1045228 A1, G01F 23/00, G08C 17/02 от 18.10.2000.
Эта измерительная система для групп резервуаров хранения жидких или газообразных горючих продуктов, передающая часть которой содержит датчики, контролирующие резервуар, снабжена аккумулятором, выход которого подключен к первому входу контроллера питания, выполненного с возможностью контроля уровня зарядки аккумулятора, а вход аккумулятора - к первому выходу контроллера питания, второй вход которого подключен к первому выходу контроллера обмена, а второй выход - к первому входу контроллера обмена, выполненного с возможностью формирования адресной части сообщения, и радиопередатчик, первый вход которого соединен со вторым выходом контроллера питания, второй вход соединен с первым выходом контроллера обмена, а высокочастотный выход - с передающей антенной, выполненной с возможностью передачи сообщений о параметрах датчиков, заряде аккумулятора и адресной части сообщения в центр приема, на приемную антенну, соединенную с радиоприемником, выход которого подключен к входу декодера, а также входящие в состав центра приема монитор и блок питания, подключенный к стандартной сети переменного тока и выполненный с возможностью формирования напряжений питания для узлов центра приема.
Такая измерительная система проста в эксплуатации и не требует существенных затрат при ее первичном монтаже в резервуарном парке или при расширении резервуарного парка.
Однако эта измерительная система обладает и рядом недостатков. В ней каждый из датчиков снабжен собственным аккумулятором и собственным радиопередатчиком. С учетом того, что на каждый из резервуаров резервуарного парка необходимо ставить несколько датчиков, в центр приема даже при небольшом числе контролируемых резервуаров поступает весьма значительное количество радиосообщений с различными номерами каналов. Это вызывает неудобства при анализе сообщений в центре приема. К тому же аккумуляторы датчиков необходимо регулярно менять на полностью заряженные, что создает дополнительные неудобства для оператора центра приема и сокращает промежутки между проведением регламентных работ.
Предметом изобретения является измерительная система для групп резервуаров хранения жидких или газообразных горючих продуктов, передающая часть которой содержит датчики, контролирующие резервуар, и снабжена аккумулятором, выход которого подключен к первому входу контроллера питания, выполненного с возможностью контроля уровня зарядки аккумулятора, а вход аккумулятора - к первому выходу контроллера питания, второй вход которого подключен к первому выходу контроллера обмена, а второй выход - к первому входу контроллера обмена, выполненного с возможностью формирования адресной части сообщения, и радиопередатчик, первый вход которого соединен со вторым выходом контроллера питания, второй вход соединен с первым выходом контроллера обмена, а высокочастотный выход - с передающей антенной, выполненной с возможностью передачи сообщений о параметрах датчиков, заряде аккумулятора и адресной части сообщения в центр приема, на приемную антенну, соединенную с радиоприемником, выход которого подключен к входу декодера, а также входящие в состав центра приема монитор и блок питания, подключенный к стандартной сети переменного тока и выполненный с возможностью формирования напряжений питания для узлов центра приема, при этом в передающую часть введены барьер искрозащиты, солнечная батарея, выход которой соединен с третьим входом контроллера питания, и блок гальванической развязки, через который второй выход контроллера питания соединен с первым входом радиопередатчика и первый выход контроллера обмена подключен ко второму входу радиопередатчика, а входы датчиков через барьер искрозащиты соединены со вторым выходом контроллера обмена, второй вход которого через барьер искрозащиты соединен с выходами датчиков, управляющий выход радиопередатчика через блок гальванической развязки подключен к третьему входу контроллера обмена, а в центр приема введены таймер и формирователь протокола, первый, второй и третий входы которого соединены соответственно с первым, вторым и третьим выходами декодера, четвертый вход подключен к выходу таймера, а выход - к входу монитора.
Частными существенными признаками изобретения являются следующие.
В центр приема измерительной системы введен блок памяти, выполненный с возможностью хранения постоянных параметров резервуарного парка, в том числе - карты резервуарного парка, вход и выход которого соединены соответственно с выходом и вторым входом монитора.
В передающей части измерительной системы аккумулятор установлен в специальном контейнере, вынесенном за пределы пожаровзрывоопасной зоны и расположенным в земле ниже уровня промерзания почвы.
В передающую часть измерительной системы введена шина передачи данных по интерфейсу RS-485, используемая для передачи сигналов между датчиками и контроллером обмена.
В передающую часть измерительной системы введена CAN-шина, используемая для передачи сигналов между контроллером питания, контроллером обмена и радиопередатчиком.
Передача сообщений от каждой из передающих частей в центр приема осуществляется в соответствии с технологией ZigBee на разрешенных для такой передачи радиочастотах.
Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи по созданию измерительной системы, позволяющей надежно и просто осуществлять оперативный контроль за резервуарами резервуарного парка и хранящимися в них жидкими или газообразными горючими продуктами.
Решение этой задачи должно позволить добиться существенного увеличения предельно допустимого числа датчиков, контролирующих состояние содержимого различных резервуаров в резервуарном парке, увеличить промежуток времени между проведением регламентных работ с аккумуляторами, существенно упростить регламентные работы.
Суть изобретения поясняется на фиг.1 и 2.
На фиг.1 представлена структурная схема передающей части измерительной системы, датчики в которой контролируют один резервуар резервуарного парка.
На фиг.2 приведена структурная схема центра приема.
На фиг.1 и 2 использованы следующие обозначения: 1 - аккумулятор, 2 - радиопередатчик, 3 - датчики, 4 - блок гальванической развязки, 5 - барьер искрозащиты, 6 - солнечная батарея, 7 - контроллер питания, 8 - контроллер обмена, 9 - передающая антенна, 10 - приемная антенна, 11 - радиоприемник, 12 - декодер, 13 - формирователь протокола, 14 - таймер, 15 - монитор, 16 - блок памяти, 17 - блок питания.
Изображенная на фиг.1 структурная схема передающей части измерительной системы может быть предназначена для контроля не только одного резервуара резервуарного парка, но также и для контроля нескольких компактно расположенных резервуаров. Однако для простоты изложения будем полагать, что рассматривается передающая часть, относящаяся к контролю только одного резервуара.
В схеме передающей части (фиг.1) выход аккумулятора 1 подключен к первому входу контроллера 7 питания, первый выход которого соединен с входом аккумулятора 1. Второй выход контроллера 7 питания подключен к первому входу контроллера 8 обмена и - через блок 4 гальванической развязки - к первому входу радиопередатчика 2. Первый выход контроллера 8 обмена соединен со вторым входом контроллера 7 питания и - через блок 4 гальванической развязки - со вторым входом радиопередатчика 2.
Высокочастотный выход радиопередатчика 2 соединен с передающей антенной 9, предназначенной для передачи сообщений по радиоэфиру на приемную антенну 10, входящую в состав центра приема и соединенную с радиоприемником 11.
Выход радиоприемника 11 подключен к входу декодера 12. В состав центра приема также входят монитор 15 и блок 17 питания.
В состав передающей части измерительной системы также входят барьер 5 искрозащиты, солнечная батарея 6 и блок 4 гальванической развязки. Выход солнечной батареи 6 подключен к третьему входу контроллера 7 питания. Через блок 4 гальванической развязки второй выход контроллера 7 питания соединен с первым входом радиопередатчика 2, первый выход контроллера 8 обмена соединен со вторым входом радиопередатчика 2, а управляющий выход радиопередатчика 2 подключен к третьему входу контроллера 8 обмена.
Входы датчиков 3 через барьер 5 искрозащиты соединены со вторым выходом контроллера 8 обмена, второй вход которого через барьер 5 искрозащиты соединен с выходами датчиков 3. При этом соединение датчиков 3 и контроллера 8 обмена осуществляются по шине передачи данных по интерфейсу RS-485.
В состав центра приема введены таймер 14 и формирователь 13 протокола, первый, второй и третий входы которого соединены соответственно с первым, вторым и третьим выходами декодера 12, четвертый вход подключен к выходу таймера 14, а выход - к входу монитора 15.
Кроме того, в центр приема введен блок 16 памяти, вход и выход которого соединены соответственно с выходом и вторым входом монитора 15.
Обмен информацией между контроллером 7 питания, контроллером 8 обмена и - через блок 4 гальванической развязки - с радиопередатчиком 2 осуществляется по CAN-шине. Это быстродействующая внутренняя информационная шина, описанная в технической литературе (например, http://www.itt-ltd.com/reference/ref_can.html).
При этом блок 4 гальванической развязки может быть выполнен в виде широко известного DC/DC преобразователя (описанного, например в http://www.chipdip.ru/catalog/show/dc-dc-converters.aspx) для цепей питания радиопередатчика 2 и оптронной (http://ru.wikipedia.org/wiki/ОПТРОН) развязки линий для CAN-шины, которая запитывается от DC/DC преобразователя. Конструктивно гальваническая развязка выполнена единым блоком. Оптроны и DC/DC преобразователи вполне доступны на коммерческом рынке.
Высокочастотный выход радиопередатчика 2 соединен с передающей антенной 9, предназначенной для передачи сообщений о параметрах датчиков 3, об уровне зарядки аккумулятора 1 и адресной части сообщения на приемную антенну 10 центра приема. При этом передача сообщений в центр приема (фиг.2) осуществляется в соответствии с технологией ZigBee на разрешенных для такой передачи радиочастотах в диапазоне от 2400 до 2483,5 МГц. При таком выборе частотного диапазона не требуется специального разрешения от радиочастотного центра на передачу сообщений по радиоэфиру.
Приемная антенна 10 центра приема соединена с радиоприемником 11, выход которого подключен к входу декодера 12. Три выхода декодера 12 обозначены на фиг.2 символами "Данные", "Каналы" и "Питание". Эти выходы предназначены для передачи на три соответствующих входа формирователя 13 протокола:
- кодов данных, полученных на передающей стороне от датчиков 3 (выход "Данные");
- кода уникального номера канала радиопередатчика 2 передающей части (выход "Каналы");
- кода, соответствующего величине заряда аккумулятора 1 (выход "Питание").
Четвертый вход формирователя 13 протокола соединен с таймером 14. Выход формирователя 13 протокола соединен с входом монитора 15.
Блок 17 питания подключен к стандартной сети переменного тока и выполнен с возможностью формирования напряжений питания для узлов центра приема.
Блок 16 памяти подключен к монитору 15. Блок 16 памяти предназначен для хранения постоянных параметров резервуарного парка, например карты резервуарного парка.
Датчики 3 продолжительное время выпускаются предприятием-заявителем (их номенклатура указана на сайтах http://novinteh.ru или hppt//струна.рф).
Радиопередатчик 2 и радиоприемник 11 соответствуют Спецификации IEEE 802.15.4 производителя ZigBee Alliance. Подобные блоки широко описаны в технической литературе (например, http://ru.wikipedia.org/wiki/ZigBee) и доступны на коммерческом рынке.
При этом в аппаратурной реализации заявляемой измерительной системы функции радиопередатчика 2 и радиоприемника 11 выполняют приемопередатчики, соответствующие технологии ZigBee. Такое построение аппаратурной реализации измерительной системы позволяет выполнять в ней некоторые функции, не имеющие прямого отношения к тематике предлагаемого изобретения, и в материалах заявки не описанные. Например, при определенной конфигурации резервуарного парка не удается обеспечить прямую видимость с центром приема, и некоторые из радиопередатчиков 2 выполняют дополнительную функцию ретрансляции.
Декодер 12 соответствует стандартным приемным каскадам в радиотехнике. Такое же обобщение всех приемных каскадов в один блок было сделано в выбранном прототипе. Поскольку стандартные приемные каскады широко описаны в технической литературе, а схема приемной части в центре приема является здесь абсолютно стандартной. Заявитель и авторы предлагаемого изобретения сочли данный подход прототипа правильным и оставили его неизменным.
Барьер 5 искрозащиты может быть построен в соответствии со схемой, приведенной в http://www.stenli.ru/catalogue/bariery_korund/passivbarier. Возможна и закупка этих блоков, поскольку они доступны на коммерческом рынке.
Формирователь 13 протокола представляет собой запоминающее устройство, куда записывается весь материал, последовательно поступающий в центр приема. Такого рода устройства являются стандартными в блоках централизованного приема сообщений и вполне доступны на коммерческом рынке.
Блок 16 памяти представляет собой обычный блок полупостоянного запоминающего устройства.
Контроллер 7 питания может быть выполнен по схеме, приведенной в http://www.silar.ru/produce7.html.
Контроллер 8 обмена является стандартным блоком программного управления.
Символами "монитор 15" в данном изобретении обозначен по сути дела компьютер, снабженный монитором, являющийся оборудованием центра приема и находящийся в пользовании оператора центра приема. Такое обозначение выбрано в целях сохранения преемственности изобретения с материалами прототипа.
Шина передачи данных по интерфейсу RS-485 стандарта EIA RS-485 (образующая связи через барьер 5 искрозащиты между контроллером 8 обмена и датчиками 3) широко распространена и описана в технической литературе, например, http://ru.wikipedia.org/wiki/RS-485.
Наконец блок 17 питания является стандартным, доступным на коммерческом рынке блоком. К тому же этот блок выделен в использованном прототипе. Он сохранен в заявляемой системе, в том числе для указания на преемственность схемных решений в сравнении с прототипом.
Таким образом, все функциональные узлы и элементы заявленной системы широко известны и доступны на коммерческом рынке или могут быть легко изготовлены. Поэтому возможность практической реализации рассматриваемой измерительной системы для групп резервуаров хранения жидких или газообразных горючих продуктов не вызывает сомнений.
Такая практическая реализация - на уровне макетных образцов - уже проведена в аппаратуре предприятия-заявителя.
Предлагаемая измерительная система работает следующим образом. Для каждого резервуара, входящего в состав резервуарного парка, выделен аккумулятор 1 (фиг.1), выходное напряжение которого предназначено для питания радиопередатчика 2 и группы датчиков 3, контролирующих данный резервуар. При этом питание радиопередатчика 2 в целях обеспечения безопасности осуществляется через блок 4 гальванической развязки. Датчики 3 из-за особенностей контролируемого объекта должны находиться в зоне повышенной пожаровзрывоопасности. Аккумулятор 1 и солнечная батарея 6 не являются взрывобезопасными изделиями и должны быть вынесены из этой опасной зоны. В связи с тем, что емкость аккумулятора при отрицательных температурах уменьшается, он может быть размещен в контейнере в земле ниже слоя промерзания. Поэтому подключение аккумулятора 1 к датчикам 3 должно осуществляться через специальный барьер 5 искрозащиты. Для подзарядки аккумулятора 1 существует солнечная батарея 6, которая соединена с аккумулятором 1 через контроллер 7 питания. Контроллер 7 питания также запитывается от аккумулятора 1 и контролирует уровень его зарядки. При полностью заряженном аккумуляторе 1 контроллер 7 питания отключает от аккумулятора 1 цепи подзарядки. Кроме того, контроллер 7 питания вырабатывает напряжение питания для контроллера 8 обмена и блока 4 гальванической развязки. Кроме того, контроллер 7 питания формирует специальный код, характеризующий уровень зарядки аккумулятора 1. Контроллер 8 обмена получает от контроллера 7 питания и запоминает этот код, характеризующий уровень зарядки аккумулятора 1.
Кроме того, контроллер 8 обмена формирует управляющие сигналы для контроллера 7 питания, изменяя, при необходимости, режим работы аккумулятора 1.
Связь контроллера 8 обмена с датчиками 3 осуществляется через барьер 5 искрозащиты по специальным шинам передачи сигналов (например, по интерфейсу RS-485, называемому также стандартом EIA-485). Датчики 3 последовательно переводятся в активное состояние и передают свои показания в контроллер 8 обмена. Таким образом, происходит обновление показаний датчиков 3, хранящихся в контроллере 8 обмена.
При возникновении условий для передачи радиопередатчиком 2 сообщения в центр приема на радиопередатчик 2 поступает сигнал о начале подготовки передачи.
Такой сигнал может вырабатывать контроллер 7 питания при существенной разрядке аккумулятора 1.
Такой сигнал может также вырабатывать и контроллер 8 обмена, если анализ показаний датчиков 3 указывает на необходимость передачи сообщения в центр приема. Этот же сигнал может вырабатывать контроллер 8 обмена, если промежуток времени после последней передачи сообщения превышает величину, заданную при программировании контроллера 8 обмена. Поэтому в контроллере 8 обмена непрерывно фиксируется промежуток времени после передачи последнего сообщения радиопередатчиком 2.
После поступления сигнала о начале подготовки передачи в радиопередатчике 2 осуществляются стандартные операции, необходимые для готовности радиопередатчика 2. Эти операции не относятся к материалам настоящего изобретения и потому здесь не рассматриваются. По окончании этих операций радиопередатчик 2 посылает команду на контроллер 8 обмена и из контроллера 8 обмена в радиопередатчик 2 передается код сообщения о контроле соответствующего резервуара.
В сообщения, направляемые в радиопередатчик 2, входят показания датчиков 3, дополненные кодом, характеризующим уровень зарядки аккумулятора 1, и специальной служебной информацией, по которой можно однозначно установить радиопередатчик 2 в составе резервуарного парка. Такой служебной информацией может быть, например, уникальный код номера канала или сигналы геопозиционирования, однозначно определяющие координаты контролируемого резервуара на местности. Для определенности будем считать, что передаче подлежит код номера канала, формируемый в контроллере 8 обмена.
Сообщения поступают в радиопередатчик 2 через блок 4 гальванической развязки. Поступление сообщений в радиопередатчик 2 может при этом осуществляться по быстродействующей внутренней информационной CAN-шине.
Затем сообщение подается из радиопередатчика 2 в радиоэфир через передающую антенну 9. Передача сообщений радиопередатчиком 2 может быть проведена в соответствии с технологией ZigBee, используя разрешенные для передачи радиочастоты в диапазоне от 2400 до 2483,5 МГц. При таком выборе частотного диапазона не требуется специального разрешения от радиочастотного центра на передачу сообщений по радиоэфиру.
Радиосигналы сообщений от каждого из радиопередатчиков 2 поступают в центре приема (фиг.2) через приемную антенну 10 в радиоприемник 11. Из радиоприемника 11 сигналы поступают в декодер 12. При этом на выходе декодера 12 формируются коды сообщений, полностью совпадающие с кодами, переданными контроллером 8 обмена в радиопередатчик 2 на соответствующей передающей стороне. Номер канала в этих кодах сообщений однозначно определяет контролируемый резервуар, данные датчиков 3 характеризуют состояние этого резервуара, а код питания определяет состояние заряда аккумулятора 1 на соответствующей передающей стороне.
С выхода декодера 12 сообщения поступают в формирователь 13 протокола. Формирователь 13 протокола запоминает принятые сообщения, дополняя каждое из них кодом времени приема, поступающим в формирователь 13 протокола из таймера 14. Последние принятые сообщения передаются для контроля оператору центра приема и преобразуются в информацию на экране монитора 15 компьютера центра приема. Для повышения наглядности принятой информации оператор центра приема может вызвать на экран монитора 15 карту местности из блока 16 памяти. В этом случае будет наглядно видно расположение на местности каждого из резервуаров, от радиопередатчика 2 которого принято сообщение.
Формирователь 13 протокола отслеживает для каждого из радиопередатчиков 2 промежуток времени после принятия последнего сообщения от него. Поскольку промежуток времени между передачами сообщений каждым из радиопередатчиков 2 не может превышать установленной при программировании величины, длительное отсутствие приема сообщений по любому из каналов может быть рассмотрено в качестве аварийного сигнала. Такие сигналы немедленно передаются оператору центра приема и соответствующим образом отмечаются на экране монитора 15 его компьютера.
Так же как аварийный сигнал-формирователь 13 протокола может отмечать определенные полученные сообщения, например, если в сообщении содержится код, показывающий существенное снижение уровня зарядки аккумулятора 1.
В центре приема нет ограничений, связанных с повышенными требованиями пожаровзрывобезопасности, поэтому питание узлов центра приема осуществляется через блок 17 питания, непосредственно подключенный к силовой сети 220 В, 50 Гц.
Предлагаемая измерительная система не предписывает оператору центра приема проведение каких-либо действий. Оператор должен сам решать, какой тактики действий следует ему придерживаться в той или иной обстановке. Однако протокол, формируемый и запоминаемый в формирователе 13 протокола, однозначно показывает всю оперативную обстановку и позволяет объективно оценить правильность действия оператора центра приема.
Проведенные на предприятии-заявителе испытания макетных образцов измерительной системы по предлагаемому изобретению наглядно показали, что эта измерительная система по сравнению с известным техническим решением позволяет:
- существенно увеличить максимально допустимое в измерительной системе число датчиков 3, поскольку по сравнению с известными материалами (описанными, например, в прототипе) уникальные номера присваиваются не отдельным датчикам 3, а группам датчиков 3, контролирующим один или несколько компактно расположенных резервуаров;
- от полутора до десяти раз (в зависимости от времени года) увеличить промежуток времени между проведениями регламентных работ с аккумуляторами 1, поскольку по сравнению с прототипом аккумуляторы 1 подзаряжаются от солнечной батареи 6, и замена аккумулятора 1 требуется только после полного израсходования его ресурса, а емкость аккумулятора 1 не уменьшается при отрицательных температурах за счет размещения его в земле ниже уровня промерзания почвы;
- упростить регламентные работы с аккумуляторами 1. В большинстве случаев аккумуляторы 1 не требуется извлекать из-под земли, а достаточно лишь отсоединить солнечную батарею 6 и подключить вместо нее внешний источник, с помощью которого и осуществляется подзарядка аккумулятора 1, например, в случае отказа или загрязнения солнечной батареи 6.
Результаты испытаний макетных образцов измерительной системы по предлагаемому изобретению показали, что аппаратурная реализация передающей части измерительной системы позволяет одновременно контролировать несколько (до пяти) компактно расположенных резервуаров.
Таким образом, решена задача по созданию измерительной системы, позволяющей надежно и просто осуществлять оперативный контроль за резервуарами резервуарного парка и хранящимися в них жидкими или газообразными горючими продуктами.