СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

Полезная модель относится к вычислительной и информационно-вычислительной технике, и может быть использована в автоматизированных регистрирующих системах, работающих как независимо, так и в составе многоуровневых информационно управляющих системах, в частности, в системах контроля за состоянием технологических параметров промышленных объектов, распределенных на больших территориях и не имеющих проводных линий связи и линий электропитания между контролируемыми точками. К таким объектам относятся, например, станции подземного хранения газа. 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.
В качестве прототипа выбран 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 приемопередающих 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 прототипа является сложность монтажных работ, наличие наземных проводных связей, что усложняет конструкцию. Кроме того, в комплексе не предусмотрен импульсный режим работы, который значительно сокращает энергопотребление.
Задача полезной модели состоит в создании простой, мобильной, не требующей больших энергозатрат беспроводной системы мониторинга технических параметров промышленных объектов, имеющей в своем составе легко заменяющиеся узлы в случае их неисправности.
Поставленная задача решается тем, что в системе мониторинга технических параметров промышленных объектов, содержащей базовую радиостанцию, снабженную электропитанием, соединенную беспроводным каналом с информационно-измерительными устройствами, снабженный датчиком измерения физических величин и источником питания, каждый информационно-измерительное устройство выполнено в виде сенсорного модуля. В корпусе последнего размещены датчик физических величин, электрически связанный с имеющимся первичным устройством обработки данных, обеспечивающим импульсный режим работы сенсорного модуля и электрически связанный с первичным устройством для передачи данных. В первичном устройством обработки данных имеется элемент, регистрирующий внутреннюю температуру сенсорного модуля и напряжение источника питания, при этом сенсорные модули связаны с базовой радиостанцией через ретрансляторы, причем они разбиты на группы и каждый ретранслятор связан беспроводной связью со своей группой сенсорных модулей и состоит из приемного устройства, вторичного устройства обработки данных и источника электропитания. Базовая радиостанция связана проводным каналом с автоматическим рабочим местом, который содержит в своем составе средства математической обработки получаемой информации и средства отображения результатов обработки информации, а также устройства накопления получаемой информации.
На фиг.1 показана структурная схема предложенной системы мониторинга технических параметров промышленных объектов, на фиг.2 - структурная схема сенсорного модуля.
Ниже предложенная система показана при использовании ее на объекте, где необходимо осуществить мониторинг территориально распределенных объектов, таких как скважинные поля подземного хранилища газа (ПХГ). Газовые скважины на ПГХ, как правило, располагаются на территории до десятка квадратных километров, при расстояниях между скважинами 100-500 метров, и в подавляющем большинстве ПХГ отсутствуют кабельные связи и линии электропитания между скважинами и диспетчерским пунктом. 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 ретранслятор 3, связанный беспроводной связью с несколькими сенсорными модулями 4 и базовой радиостанцией 1. Сенсорный модуль 4 состоит из датчика физических величин 5, электрически связанного с первичным устройством обработки данных 6, обеспечивающим импульсный режим работы сенсорного модуля 4. В первичным устройством обработки данных 6 электрически связан с первичным устройством для передачи данных 7 и в нем имеется элемент, регистрирующий внутреннюю температуру сенсорного модуля 8 и напряжение источника питания 9. Ретранслятор 3 состоит из приемного устройства, вторичного устройства обработки данных и источника электропитания (на рис. 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 ретрансляторы в режиме связи с базовой радиостанцией являются периферийными элементами верхнего уровня сенсорной сети, и те же ретрансляторы, но в режиме опроса сенсорных модулей, являются центральными элементами узлов нижнего уровня сети.
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 и струнное давление газа, а также температура газа в струне и т.д. От датчиков 5 данные поступают в первичное устройство обработки данных 6, где осуществляется математическое преобразование аналоговых электрических сигналов в цифровой код, содержащий информацию о физических величинах в натуральной размерности 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 ретрансляторы 3, при этом ретрансляторы 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, которая 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 в натуральном значении индицирутся на элементах отображения автоматического рабочего места 3 и записываются на устройства накопления информации.
Регистрация измеряемых параметров на скважинах производится с интервалом в 15 секунд, результаты каждого акта регистрации записываются в буфер памяти сенсорного модуля 4. Текущее значение регистрируемой величины (на выходе аналого-цифрового показателя) 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 ретранслятор 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 и, так называемый, «спящий» режим работы позволили снизить электропотребление, приведенное к среднему постоянному уровню, до 15 мкА.
2
Проведены испытания системы мониторинга с территориально распределенных объектов контроля. Система позволила собирать данные с большого числа сенсорных модулей (до 1000 ед.), расположенных на территории до 10 кв. В процессе эксплуатации системы было показано, что исследования режимов работы скважин возможно проводить непосредственно в период отбора гага без их останова.