В рамках НИОКР от «Фонда содействия инновациям» по теме «Разработка кроссплатформенного программно-аппаратного комплекса телеметрии для систем защиты трубопроводов на основе беспроводных технологий и интернета вещей» были проведены работы по разработке устройства телеметрии контрольно-измерительного пункта для контроля процессов электрохимической защиты трубопроводов от коррозии.
Контрольно-измерительные пункты (КИП) предназначены для контроля параметров электрохимической защиты (ЭХЗ) и обозначения трасс трубопроводов. Отсутствие гарантированного электропитания на стойке КИП предъявляет к устройству телеметрии необходимость при минимальном потреблении энергии производить измерения параметров необходимых для эксплуатации трубопровода и передачи данных обслуживающему персоналу. В основу разработки устройства, соответствующего предъявляемым требованиям, были положены результаты исследований в рамках НИОКР.
Изначально приоритет разработки устройства отдавался беспроводным технологиям. Выбор радиоканала был сделан в пользу модуляции LoRa – это новая беспроводная технология, характеризующаяся дальним радиусом действия и малым потребления энергии. Отличие от других беспроводных технологий — большая дальность сигнала, помехоустойчивость и автономность. Протокол обеспечивает полную двухстороннюю связь, а архитектура, посредством специальных методов шифрования, обеспечивает общую надежность и безопасность всей системы. Из минусов использования данной технологии это то, что стандартно сеть LoRaWAN имеет простую архитектуру типа “звезда” без ретрансляторов и mesh-связей, использование такой топологии возможно, например на ЛПДС. Однако трубопроводы имеют протяженную структуру на сложном рельефе с перепадами по высоте и для передачи данных телеметрии необходимо использовать топологию «Шина».
В рамках НИОКР был разработан компромиссный вариант сети, техническим результатом которого является увеличении дальности передачи информационных пакетов за счет использования устройств-ретрансляторов. Дальность передачи данных телеметрии по радиоканалу с модуляцией LoRa достигается последовательным соединением сетей с топологией типа «Звезда» в топологию «Шина». Топологию «Шина», организует устройство-ретранслятор, передающее информационные пакеты от конечных устройств либо на следующие ретрансляторы, либо на шлюз для передачи телеметрических данных на сервер. Такое решение организации сети позволяет увеличить дальность передачи информационных пакетов в n-раз, где n-количество ретрансляторов в сети. Блок телеметрии КИП универсален, может работать как конечное устройство, так и как ретранслятор (рис 1).
Рис. 1
Алгоритм работы сети построен как самоорганизующиеся локальная радиосеть, позволяющая получать телеметрию на всей контролируемой территории. Самоорганизующаяся сеть представляет собой большое количество оконечных устройств и ретрансляторов на контролируемой территории и одну или несколько точек доступа к внешним сетям (GPRS, RS-485) через шлюз. Для синхронизации работы сети ретрансляторы передают широковещательный сигнал на фиксированном канале. Элементы радиосети в пределах взаимной радиовидимости, используя разработанные алгоритмы, самостоятельно производят изменения настроек для включения в сеть. Основными критериями при этом, являются поиск вариантов наиболее короткого пути до шлюза, при приемлемых уровнях связи радиоканала.
Информационный пакет от конечного устройства, проходит по цепочке через все устройства, находящиеся на пути к шлюзу, что позволяет увеличить дальность действия сети, надежность и оперативность связи. Выходная мощность радиопередатчика каждого устройства составляет 25 мВт, что наряду с распределением нелицензируемого диапазона частот на 12 подканалов и временного разделения передачи данных между устройствами, позволило обеспечить стабильную связь при испытаниях на участке трубопровода длиной 42 километра. В случае выхода из строя одного из элементов радиосети, либо нарушения связи, происходит перенастройка сети в соответствии с разработанными алгоритмами. Устройство, потерявшее связь, ищет новую точку подключения с наилучшими параметрами, таким образом связь восстанавливается автоматически.
Для электропитания используется солнечная панель двух типоразмеров. Для электропитания ретранслятора используется солнечная панель 160х138 мм (рис 2), для оконечного устройства — 81х137 мм.
Рис. 2
Телеметрические данные содержат информацию о величине постоянного и переменного тока выносного электрода, суммарного и поляризационного потенциала трубопровода, состояние индикатора коррозии, обнаружение процессов наводораживания вследствие перезащиты, а также омеднения выносного электрода. Обнаружение процесса наводораживания выявляется по критерию перелома кривой Тафеля.
Блок телеметрии КИП (рис. 3) изготовлен во влагозащищенном корпусе, имеет небольшие габариты (160x80x55мм), что даёт возможность разместить его внутри большинства КИПов.
Рис. 3
Все измерительные каналы блока телеметрии КИП имеют гальваническую развязку между собой и могут гарантированно работать в условиях высоких электромагнитных помех, например: вблизи высоковольтных линий электропередач.
Телеметрии КИП способствует достижению цели осуществлять контроль и управление техническим состоянием системы ЭХЗ с учетом требований энергетической и экономической эффективности эксплуатации объектов магистрального трубопровода (МТ). В этой части автоматизация и интеллектуализация развиваемых процедур управления противокоррозионной защитой обеспечивает прямое сокращение затрат за счет:
- сокращения трудозатрат на периодические измерения и оптимизацию режимов работы СКЗ;
- уменьшения установленной мощности СКЗ;
- сокращения потребляемой электроэнергии;
- увеличения ресурса СКЗ и анодных заземлителей (АЗ);
- повышения долговечности и безаварийности работы трубопроводов за счет непрерывного коррозионного мониторинга оборудования по трассе МТ без участия обслуживающего персонала.
Учитывая успешное проведение испытания, возможно дальнейшее развитие технологии передачи телеметрических данных по протоколу LoRa о состоянии АЗ, протекторов и другого технологического оборудования МТ.
https://www.neftegas.info/tng/-3-4-2021/
