Все, что вы хотите знать о трубе – создание низового звена комплексной системы мониторинга состояния трубопроводов на базе решений компании «ТехноПром»
А. В. ИСАЕВ – ООО «ТехноПром»
Основываясь на многолетнем успешном опыте работы по созданию систем мониторинга электрохимической за щиты трубопроводной инфраструктуры ПАО «Газпром», компания «ТехноПром» открывает новую страницу своей деятельности.
Многопрофильная и оперативная диагностика состояния трубопроводов обеспечивает надежную работу нефтегазотранспортной системы, имеет высокую экономическую эффективность за счет снижения потерь, увеличения сроков эксплуатации магистралей и увеличения объема поставляемой продукции. Службы, обеспечивающие эксплуатацию и защиту трубопроводов, обоснованно ставят задачу создания системы мониторинга максимально приближенной к системе реального времени.
В настоящее время в системе эксплуатирующих подразделений, как правило, реализована многоуровневая цепочка диспетчерского контроля и управления «цех – подразделение – предприятие – головное предприятие». Каждое из этих звеньев нуждается в оперативной и достоверной информации о состоянии трубопровода.
Ведутся экспериментальные работы по внедрению полностью автоматизированных контролируемых пунктов (КП). Приоритет отдается модульным решениям. Данные пункты оснащены гарантированным электропитанием и устойчивыми ведомственными системами связи (системами телемеханики). Как правило, комплексы аппаратуры телемеханики устанавливаются на компрессорных станциях (КС), газоизмерительных станциях (ГИС), газораспределительных станциях (ГРС) и линейных крановых площадках. Однако непосредственно на линейной части (ЛЧ МТ) стандартное оборудование телемеханики установить достаточно сложно, а чаще и просто невозможно.
Обслуживание выполняется персоналом, и это происходит с большими интервалами (как правило, не чаще 2 раз в месяц). Немало магистралей находится в труднодоступной местности. Все это вынуждает применять дорогостоящие системы мониторинга, например, облет территории вертолетами или беспилотными летательными аппаратами. Эти меры также не обеспечивают оперативность, комплексность и объективность мониторинга.
Мы прекрасно понимаем, что столь неоднородная среда, в которой ведется строительство и обслуживание магистральных трубопроводов, требует наличия целого спектра решений, из которого выбирается оптимальная конфигурация. Мы создали свою линейку продуктов по принципу модульности и полной совместимости. При этом, в случае изменения обстановки на трассе есть возможность доукомплектовать системы требуемыми модулями или произвести замену. Такой подход позволяет также оптимизировать состав ЗИП (запасные инструменты и приборы), сделать его более гибким и экономичным. Далее в статье представлена схема использования продуктов компании в соответствии уровнем иерархии управления.
Наша компания уже много лет производит контрольно-измерительные пункты (КИП) электрохимической защиты под маркой «ПВЕК».
На магистральных трубопроводах контрольно-измерительные пункты подключают:
- на каждом километре (не реже чем через 500 м при пересечении трубопроводом зоны действия блуждающих токов или грунтов с высокой коррозионной агрессивностью);
- на расстоянии трех диаметров трубопровода от точек дренажа установок электрохимической защиты (за исключением одиночных протекторов) и от электрических перемычек;
- у крановых площадок;
- у водных и транспортных переходов (с обеих сторон);
- у пересечения трубопроводов с другими металлическими сооружениями;
- в культурной и осваиваемой зонах: у дорог, арыков, коллекторов и других естественных и искусственных образований.
При многониточной системе трубопроводов КИП устанавливают на каждом трубопроводе на одном поперечнике (ГОСТ Р 51164-98 «Трубопроводы стальные магистральные. Общие требования к защите от коррозии»).
Новый контрольно-измерительный пункт
Учитывая успешный опыт эксплуатации в газотранспортных предприятиях ПАО «Газпром», потребности наших заказчиков и появление новейших революционных средств обработки и передачи данных, мы начинаем выпуск нового поколения контрольно-измерительных пунктов. Мы дали ему название «Интеллектуальный диагностический контрольно-измерительный пункт ПВЕК.Магистр» (ИД КИП).
Данный ИД КИП, по-прежнему оставаясь автономным, способен полностью автоматически получать, обрабатывать и передавать данные различных измерений (не только касающихся электрохимической защиты). Совокупность таких ИД КИП, дополненная оборудованием интеграции с существующими системами телемеханики, эксплуатируемыми в линейных управлениях (или планируемыми) образует уже взаимосвязанную интеллектуальную сеть мониторинга и управления.
Особенностью наших ИД КИП является размещение всего оборудования внутри пластикового корпуса, что обеспечивает лучшую климатическую и антивандальную защиту.
В зависимости от наличия или отсутствия систем электропитания и связи, рельефа местности и прочих условий, ИД КИП может иметь различную комплектацию.
По системе электропитания (потребляемая мощность оборудования не превышает 5-6 Вт, номинальное напряжение – 12 В, поддерживаемый диапазон напряжения – 5-17 В):
- Имеющий постоянное электропитание по кабельным линиям – электроснабжение осуществляется по кабельным линиям с использование различных технологий, предполагается установка внутри корпуса адаптера (стабилизатора) питания;
- Не имеющий дистанционного электропитания, но позволяющий использовать возобновляемые источники питания фотоэлектрические элементы (в комплекте с аккумулятором, контроллером заряда и резервным источником питания малой емкости);
- Не имеющий дистанционного электропитания и не позволяющий использовать возобновляемые источники питания – оснащен неперезаряжаемым источником питания (ИП) емкостью не менее 30 Ач, который до температуры –55°С сохраняет емкость, достаточную для полноценной работы подключенного оборудования; так расчет, выполненный по результатам натурных испытаний, показывает, что при съеме показателей датчиков и передаче их по радиоканалу LPD-диапазона (частота – 433 МГц, мощность передатчика до 10 мВт) один раз в час (остальное время диагностическое и коммуникационное оборудование находятся в «спящем» режиме), заряда источника питания должно хватить на 3-6 лет работы (в зависимости от климатической зоны).
По набору подключаемых датчиков:
- Стандартный комплект датчиков ЭХЗ – электрод суммарного и датчик поляризационного потенциала, датчик скорости коррозии (в комплекте с датчиком температуры грунта), ток поляризации вспомогательного электрода, датчик наводороживания, сторожевой датчик вскрытия ИД КИП. Заметим, что датчик температуры грунта может использоваться и для фиксации фактов утечки транспортируемого продукта;
- Комплект датчиков контроля при проведении внутритрубной диагностики (ВТД) – вибрационный датчик фиксации прохождения очистных поршней, снарядов-калибров и профилемеров, датчик электромагнитного излучения для фиксации прохождения дефектоскопа – наличие таких датчиков и получение от них оперативной информации о прохождении устройств ВТД кардинально облегчает поиск застрявших устройств (что иногда случается и ведет к значительной потере времени и средств). Вибрационные датчики могут контролировать и сейсмическую обстановку в районе прохождения трубопровода;
- Дополнительные сторожевые датчики – датчик угарного газа для фиксации возгораний в непосредственной близости от трубопровода; ИД КИП может оснащаться кнопками экстренного вызова, что является актуальным для безлюдных территорий (а это большая часть зон прокладки ЛЧ МТ);
- Датчики загазованности и незаконных врезок – датчик метана и датчик акустических шумов (для обнаружения утечек продукта или врезок на нефтепроводах).
Уже по набору датчиков, которые могут быть применены, становится понятно, что ИД КИП в состоянии стать ЕДИНОЙ и ЕДИНСТВЕННОЙ точкой мониторинга различных процессов, происходящих непосредственно на ЛЧ МТ, и может использоваться различными службами – не только электрохимзащиты.
«Сердцем» ИД КИП является блок коррозионного мониторинга (БКМ), состоящий из трех основных частей (помимо подключаемых датчиков):
- Центрального контроллера (ЦК) – управляющего устройства, обеспечивающего автоматизацию процессов сбора данных, их обработки, хранения и управления системой в целом. Центральный контроллер имеет целый набор различных интерфейсов для подключения внешних устройств. ЦК построен на базе компьютерных модулей типа System-on-Chip (SoC) или ARM, которые совершили подлинную революцию в секторе компактной электроники. Такое оборудование потребляет крайне мало энергии, содержит все необходимые интерфейсы и может быть легко перепрограммировано под нужды заказчика, так как работает под управлением полноценной операционной системы (как правило, Linux). По сути, наш центральный контроллер – настоящий компьютер сверхмалых размеров с предустановленной операционной системой и прикладными программами;
- Аналого-цифровых преобразователей (АЦП), к которым подключаются датчики и которые обеспечивают электропитание этих датчиков (при необходимости). Если датчики имеют цифровой выход, то они подключаются непосредственно к центральному контроллеру через шину передачи данных. Некоторые датчики могут быть сигнального типа (например, охранные) и срабатывать путем замыкания электроцепи («сухой контакт»);
- Блока передачи данных (БПД) – устройства, применяющегося для физического сопряжения информационного сигнала со средой его распространения, где он не может существовать без адаптации.
Предназначен для передачи данных на значительное расстояние. В своем составе может иметь вспомогательное оборудование (антенны, адаптеры, защитные блоки и прочее).
ЦК и БПД умеют работать в «спящем» состоянии, резко снижая потребление электропитания, что обеспечивает столь долгий срок работы ИП. «Просыпаются» ЦК и БПД по расписанию, при срабатывании датчиков и при получении внешнего запроса на передачу данных (правила работы задаются при инсталляции ИД КИП).
На данный момент на магистральных газопроводах установлены уже десятки тысяч КИП. Стоит задача оснастить их также системами мониторинга. Мы разработали оригинальную конструкцию модуля мониторинга полной заводской готовности, которая позволяет дооснащать установленные КИП с минимальными трудозатратами и за короткое время. Эта же конструкция позволяет быстро произвести ремонт, модернизацию и, при необходимости, замену блоков мониторинга. Исполнение модуля есть как для четырехгранного, так и для трехгранного КИП.
Связанные одной сетью
Совокупность ИД КИП и оборудования на контролируемых пунктах образуют взаимосвязанную сеть передачи данных и контроля работоспособности отдельных узлов сети и подключенного измерительного оборудования.
По способам объединения в сеть и используемым коммуникационным технологиям БПД различаются:
- Передача данных по кабелю посредством интерфейса RS-485 на расстояние до 1200 м. Скорость передачи данных до 96 кбит/сек. Данный интерфейс поддерживается непосредственно центральным контроллером. На одной «ветке», подключенной к одному master-контроллеру, может располагаться до 32 slave-устройств (таковыми будут ИД КИП);
- Передача данных и электропитания по кабелю по технологии PoDSL на расстояние до 30 км. Используется одна или две пары кабеля. На центральном узле устанавливается базовая платформа, обеспечивающая прием-передачу данных от ИД КИП и выдачу питания по тем же парам кабеля. В каждом ИД КИП устанавливается регенератор, который выполняет три функции – «отбор» части передаваемой мощности для электропитания всего установленного в ИД КИП оборудования, обеспечение телекоммуникационного интерфейса RS232/RS485, последующая передача данных и питания далее по цепочке. Тип связи – дуплексный. Скорость передачи данных – до 15 Мбит/с.
- Передача данных по радиоканалу в LPD-диапазоне (433 МГц). Для передачи данных используется полоса частот, для работы в которой не требуются разрешения ГКРЧ (решение ГКРЧ от 07 мая 2007 г. № 07-20-03-001). Мощность передатчика до 10 мВт. Скорость передачи данных – программируемая от 1,2 до 57,6 кбит/с. Каждый узел выступает в качестве интеллектуального ретранслятора. При этом, если ближайший соседний узел перестает «выходить на связь», то узел-ретранслятор пытается «достучаться» до другого доступного соседа. Используемые БПД со специально подобранными антеннами круговой направленности обеспечивают связь на расстоянии до 3 км при условии прямой видимости.
- Передача данных по радиоканалу в стандарте ZigBee. Решением ГКРЧ от 19 августа 2009 г. № 09-04-07 (Приложение №1) использование данного стандарта в полосе частот 2400–2483,5 МГц не требует согласования при мощности передатчиков не более 100 мВт. Сети стандарта ZigBee являются самоорганизующимися и самовосстанавливающимися. Скорость передачи данных – до 80 кбит/сек. Сеть на базе ZigBee за счет избыточности взаимных связей обеспечивает возможность передачи данных при входе из строя сразу нескольких узлов.
Защита двойного применения
Наша компания начинает маркировать выпускаемую продукцию радиочастотными метками в диапазоне UHF (860–960 МГц).
RFID-метки обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с другими средствами идентификации оборудования именно при эксплуатации протяженных объектов в жестких условиях:
- Возможность перезаписи. Данные RFID-метки могут перезаписываться и дополняться много раз. RFID-метку можно использовать в качестве «электронного журнала на местности» для хранения данных о проведении обследований, ремонтов, обслуживания и т. д.
- Отсутствие необходимости в прямой видимости. RFID-считывателю не требуется прямая видимость метки, чтобы считать ее данные. Взаимная ориентация метки и считывателя часто не играет роли. Метки могут читаться через упаковку, что делает возможным их скрытое размещение.
- Большее расстояние чтения. RFID-метка может считываться на значительно большем расстоянии, чем штрих-код. В зависимости от модели метки и считывателя, радиус считывания может составлять до нескольких метров.
- Больший объем хранения данных. RFID-метка может хранить значительно больше информации, чем штрих-код.
- Поддержка чтения нескольких меток. Промышленные считыватели могут одновременно считывать множество (более тысячи) RFID-меток в секунду.
- Считывание данных метки при любом ее расположении. Единственное условие – нахождение метки в зоне действия считывателя.
- Устойчивость к воздействию окружающей среды. Существуют RFID-метки, обладающие повышенной прочностью и сопротивляемостью жестким условиям рабочей среды. Пассивные RFID-метки имеют практически неограниченный срок эксплуатации.
- Высокая степень безопасности. Уникальное неизменяемое число-идентификатор, присваиваемое метке при производстве, гарантирует высокую степень защиты меток от подделки. Также данные на метке могут быть зашифрованы. Радиочастотная метка обладает возможностью закрыть паролем операции записи и считывания данных, а также зашифровать их передачу. В одной метке можно одновременно хранить открытые и закрытые данные.
Мониторинг «вручную» по-новому
Далеко не все участки трубопроводов сейчас оснащены системами телемеханики, куда можно было бы передавать данные от ИД КИП, а значит без участия персонала (монтеров ЭХЗ и линейных трубопроводчиков), регулярно выезжающего на магистраль пока не обойтись. Но мы разработали решение, значительно облегчающее их работу. Работник берет с собой на объезд специализированный защищенный электронный планшет с предустановленным программным обеспечением и имеющий в своем составе радиоканальный блок передачи данных, идентичный БПД в ИД КИП. Находясь даже на расстоянии 1-2 км от цепочки ИД КИП, со своего планшета монтер инициирует сбор данных со всей цепочки. Подобный способ сбора данных можно делать и из автомобиля или даже при облете трассы трубопровода.
На данный программно-аппаратный комплекс можно смотреть шире. Планшет с различными установленными или подключаемыми модулями, а также различным предустановленным ПО должен стать универсальным мобильным АРМ сотрудника служб эксплуатации ЛЧ МГ.
Как правило, планшеты в промышленном исполнении имеют полный набор всевозможных коммуникационных интерфейсов как проводных, так и беспроводных (в том числе, считыватель RFID-меток). Стоимость планшетов всех видов стремительно падает, а их производительность растет. «Дружелюбный» интерфейс планшетов позволяет легко освоить их использование даже неподготовленного пользователя.
Обеспечение безопасности
Учитывая тот факт, что передача данных мониторинга и прием управляющих команд осуществляется по открытым каналам связи, необходима тщательная проработка вопросов обеспечения безопасности как с точки зрения перехвата, так и с точки зрения навязывания (имитации).
Мировая тенденция такова, что постоянно усиливаются кибер-атаки на автоматизированные системы управления производственными процессами, к каковым относятся и SCADA-системы, используемые для контроля работы трубопроводов. Последствия их «взлома» и выхода из строя или некорректной работы могут быть критическими для целых территорий и даже для страны в целом.
Совет безопасности Российской Федерации в рамках стратегии обеспечения национальной безопасности до 2020 года разработал «Основные направления государственной политики в области обеспечения безопасности автоматизированных систем управления производственными и технологическими процессами критически важных объектов инфраструктуры Российской Федерации», где ввел, в том числе, понятия «критически важный объект инфраструктуры Российской Федерации (КВО)», «критическая информационная инфраструктура» и «безопасность автоматизированной системы управления КВО».
Мы готовы внедрить в работу ИД КИП целый ряд достаточно простых, эффективных и уже хорошо зарекомендовавших себя средств обеспечения безопасности:
- Присвоение каждому устройству уникального идентификационного номера. Таковым может быть UUID (Universally Unique Identifier), который представляет собой 16-байтный (128-битный) номер;
- Присвоение каждому отправляемому сообщению также уникального идентификационного номера (например, в том же формате UUID);
- Представление значений измеренных параметров не в виде последовательности символов ASCII, а в бинарном виде, что существенно снизит размер пакета данных и позволит добавить средства защиты без увеличения нагрузки на сеть передачи данных (для некоторых сред, например, для радиоканала, это может оказаться критическим условием);
- Передача и прием данных в формате XML (eXtensible Markup Language) – это обеспечит «сквозную» возможность передачи данных в АСУ ТП в случае выхода из строя отдельных узлов на любом уровне иерархии сбора данных. Одновременно появится возможность прямого запроса данных от любого устройства;
- Расчет хэш-кода (контрольной суммы передаваемых данных, рассчитанной по специализированному алгоритму) при отправке данных и проверка хэш-кода при получении команд управления. Применение хэш-кода позволит надежно защитить передаваемые данные от искажений.
- Особенности построения ИД КИП позволяют быстро добавить и другие механизмы обеспечения безопасности.
Выводы:
- Создание полноценной системы мониторинга непосредственно на магистральном трубопроводе и интеграция ее с существующими диспетчерскими системами решит задачи всеобъемлющего оперативного автоматизированного контроля всей нефтегазотранспортной инфраструктуры. Это, в свою очередь, может обеспечить продление срока службы трубопроводов, что даст огромный экономический эффект.
- Создавая линейку продуктов ПВЕК.Магистр, мы выполнили все требования, предъявляемые к автоматизированным системам повышенной надежности:
- Декомпозируемость – реализована идеология модульности конструкции, как по системе измерения показателей, так и по системам передачи данных;
- Диагностируемость – центральный контроллер и установленное ПО проводит постоянный мониторинга работоспособности отдельных узлов и в состоянии вести электронный журнал. Данные самодиагностики направляются в диспетчерскую систему вместе с результатами измерений. Информация о критических неисправностях отправляется немедленно как сигнал тревоги;
- Надежность – при производстве электронных устройств используются надежные компоненты с расширенным температурным диапазоном работы и устойчивостью к повышенной вибрации; монтажные платы покрыты специальными изолирующими от внешнего воздействия составами; входы каждого датчика гальваноизолированы;
- Простота обслуживания и эксплуатации – поставляемое оборудование имеет «коробочное» исполнение; монтаж заключается только в установке на посадочные места и подключении к средствам измерения, источникам электропитания или интеграционным шинам; настройка параметров работы проводится, как правило, дистанционно;
- Безопасность – с точки зрения защиты от неблагоприятных климатических условий, оборудование имеет класс защиты IP65. Безопасность передачи и приема данных обеспечивается за счет использования уникальных идентификаторов оборудования и механизмов «электронной подписи»
- Вандалозащищенность – нам удалось разместить все оборудование внутри КИП, причем в труднодоступном месте. ИД КИП оснащен датчиком вскрытия, а система мгновенно передает сигнал тревоги в диспетчерский центр при его срабатывании;
- Экономическая эффективность – внедрение ИД КИП обеспечивает значительный экономический эффект за счет резкого снижения объема работ, выполняемого сотрудниками. Многократное увеличение частоты замеров параметров ЭХЗ обеспечивает создание объективной картины защищенности трубы во времени, а это, в свою очередь, дает возможность более «тонкой» настройки параметров работы, например, станций катодной защиты. Наличие различных дополнительных датчиков может дать огромный экономический эффект при своевременном обнаружении утечек или при локализации и извлечении застрявшего внутритрубного диагностического оборудования. Использована широко распространенная элементная база, что обеспечивает гарантированное снабжение при производстве и обязательную тенденцию снижения цены комплектующих;
- Модифицируемость – универсальность центрального контроллера и предустановленного программного обеспечения дает возможность наращивать функционал ИД КИП за счет инсталляции дополнительных программных модулей. По мере возникновения потребности в новых видах мониторинга будут разрабатываться новые модули-мезонины диагностики. При этом центральный контроллер и другие модули модификации подлежать не будут;
- Длительный жизненный цикл без морального старения – система построена с огромным «запасом» развития за счет использования текущей избыточности производительности центрального контроллера;
- Минимальное время на монтаж и пуско-наладку – конструктив модуля мониторинга специально разработан для обеспечения возможности быстрого монтажа на трассе при плохих погодных условиях; после включения модуля, происходит автоматическая интеграция ИД КИП в единую систему мониторинга (по сути, реализован механизм Plug&Play);
3. Совокупность ИД КИП может использоваться для мониторинга не только электрохимической защиты. ИД КИП является идеальным готовым решением задачи всеобъемлющего оперативного мониторинга линейной части магистральных (и не только магистральных) трубопроводов.
4. Предложены новые, ранее не использовавшиеся технологии автоматического сбора данных на протяженных участках трассы с большой удаленностью от существующих или предполагаемых точек КП телемеханики.
