Начинается...

Опыт применения комплекса телеметрии «Стел АП»

Опыт применения комплекса телеметрии «Стел АП»

К вопросу о ресурсе литиевых батарей и надежности каналов связи стандарта GSM

Э. В. АНОСОВ – главный инженер-первый заместитель генерального директора ООО «Газпром добыча Краснодар»
А. М. БАЛАБАНОВ – начальник участка автоматизации, телемеханизации и метрологии Светлоградского ГПУ ООО «Газпром добыча Краснодар»
В. А. ЧИГРИДОВ – к.т.н., технический директор ООО НПО «Турботрон»
Д. А. ЗАИКА – начальник отдела аппаратных средств ООО НПО «Турботрон»

Для контроля технологически х параметров удаленных промышленных объектов нефтегазовой отрасли страны широко используются системы телеметрии различных производителей. Во многих случаях контролируемые объекты, например, шкафные распределительные пункты (ШРП), скважины и т. п., не обеспечены внешним электропитанием и не имеют проводных каналов связи.

В связи с этим большое распространение получили комплексы телеметрии, получающие питание от автономных источников питания и использующие для передачи информации каналы сотовых операторов связи стандарта GSM.

В качестве примера таких систем можно рассмотреть аппаратно-программный комплекс телеметрии «Стел АП» производства НПО «Турботрон» (г. Ростов-на-Дону), который предназначен для непрерывного дистанционного контроля технологических параметров (давления, температуры и пр.) удаленных объектов, осуществляющих транспортировку и распределение энергоносителей, в том числе и природного газа.

В основе комплекса лежит линейка многофункциональных контроллеров «Стел АП» специально разработанных для объектов, не имеющих внешнего энергоснабжения (рис. 1). Представители линейки обладают одинаковым ядром, но разными возможностями, оптимизированными под особенности конкретных задач. Автономная работа контроллеров обеспечивается за счет автономных источников питания, а также специально разработанными алгоритмами функционирования.

Многофункциональный контроллер с автономным питанием «Стел АП»

Рис. 1. Многофункциональный контроллер с автономным питанием «Стел АП»

Контроллеры позволяют опрашивать различные первичные преобразователи с аналоговым и цифровым интерфейсом, большинство распространенных узлов учета энергоносителей, потоковых хроматографов, влагомеров (гигрометров) и пр., обладают возможностью ведения архивов значений контролируемых параметров, нештатных ситуаций и вмешательств.

Обмен данными между контроллерами и диспетчерским центром производится посредством каналов беспроводной связи в стандарте GSM 900/1800 в различных режимах. Для повышения надежности каналов связи контроллеры имеют возможность одновременно работать с двумя сотовыми операторами.

В общем случае в качестве источников автономного питания могут использоваться литиевые элементы, солнечные батареи, ветрогенераторы, термогенераторы на природном газе и турбодетандеры. Наибольшее распространение для относительно простых и недорогих комплексов, отличающихся низким потреблением энергии, получили литиевые источники питания.

Для передачи информации в таких комплексах используются каналы связи стандарта GSM в режимах CSD и/или GPRS. Следует отметить, что режим передачи данных CSD энергетически более экономичен в сравнении с GPRS.

Одним из ключевых вопросов при использовании литиевых батарей в качестве источника питания является их ресурс (срок службы). Для продления ресурса разработчиками систем телеметрии используются различные подходы, оптимизирующие и минимизирующие энергопотребление электронного оборудования. Обычно контроллер большую часть времени находится в энергосберегающем «спящем» режиме, периодически выходя из него для контроля технологических параметров, опроса подключенного оборудования, передачи аварийной информации, организации сеансов связи с диспетчерскими центрами и пр.

Такой режим работы сам по себе вызывает известные сложности при расчете ресурса литиевых батарей. Кроме этого, свой вклад вносит непостоянство потребления подсистемы связи системы телеметрии, которое зависит от заранее непредсказуемых параметров: уровня сигнала связи в конкретной точке местности, объема передаваемой информации, количества сеансов связи с диспетчерским центром.

Дополнительную неясность вносит поведение литиевых батарей при повышенных и пониженных температурах окружающей среды. Проведенные специалистами НПО «Турботрон» исследования [1,2] показывают, что в подобных условиях эксплуатации заявленная изначально емкость батарей существенно падает.

Кроме этого, при отрицательных температурах снижается и нагрузочная способность литиевых батарей, что приводит к «провалам» напряжения при увеличении тока потребления. В этих случаях контроллер может нормально работать в «спящем» режиме при потреблении в единицы миллиампер и не работать, например, при попытках регистрации в сети GSM, так как необходимый ток потребления составляет сотни миллиампер.

Наиболее сложным обстоятельством в случае попытки рассчитать ресурс литиевых батарей является отличие (в худшую сторону) их реальных параметров от заявленных, а также нестабильность характеристик от партии к партии одного производителя. Например, в работах [1,2] приведены результаты испытаний одинаковых по заявленной емкости литиевых батарей разных производителей (Франция, Россия, Китай) при различных токах потребления и температуре окружающей среды. Если батареи производства Франции и России в целом соответствуют заявленным характеристикам, то о китайских батареях такого сказать нельзя.

Свой вклад в неопределенность вносят и неполные данные по саморазряду литиевых батарей. Обычно производитель заявляет этот параметр в пределах 15-20% за десять лет эксплуатации при нормированной температуре 20°С. Реальная же эксплуатация происходит в широком диапазоне температур, в том числе и экстремальных. Имеющийся опыт показывает, что в этих случаях саморазряд может значительно ускоряться.

С учетом всех вышеперечисленных факторов точный расчет срока службы литиевых батарей становится невозможным. Обычно в этом случае производитель приводит усредненные данные для определенных условий работы. В случае продукции НПО «Турботрон» в качестве такого «штатного» режима выбран следующий:

  • контроллер большую часть времени находится в энергосберегающем «спящем» режиме, выходя из него каждые 30 секунд для контроля параметров с записью их значений в архив;
  • в случае выхода параметров за допустимые пределы контроллер организует сеанс связи с диспетчерским центром и передает тревожную информацию, частота аварийного события принимается как один раз в сутки;
  • кроме этого, один раз в сутки независимо от наличия аварийных сообщений контроллер по расписанию организует сеанс связи с центром, с помощью которого подтверждается его работоспособность, передаются архивные данные и пр.

Для таких условий работы оборудования производитель гарантирует ресурс литиевых батарей не менее 3-х лет. Для других режимов работы ресурс батарей может существенно отличаться. Например, при увеличении количества плановых сеансов связи за сутки логично ожидать уменьшения ресурса.

Вторым важным вопросом для подобных комплексов с учетом особенностей каналов связи стандарта GSM является надежность доведения информации до получателя. Существует мнение, что надежность передачи данных при использовании сотовых каналов связи по определению не может быть достаточной, так как приоритетным для стандарта является передача речевой информации. Такое мнение имеет некоторые основания (особенно это относилось к начальному периоду развития сотовой связи), однако имеющийся у НПО «Турботрон» последний практический опыт свидетельствует об обратном.

Кроме этого, существует ряд приемов, способных существенно повысить надежность сотовых каналов связи. К ним в первую очередь следует отнести:

  • выбор оператора связи, обеспечивающего максимальный уровень сигнала в месте расположения оборудования;
  • применение направленных антенн и оптимальное ориентирование их на местности с учетом расположения базовых станций;
  • использование оборудования, способного работать с несколькими операторами связи одновременно, выбирающего наилучшего из них для передачи информации в конкретных обстоятельствах;
  • выбор оптимальных режимов передачи данных (например, в общем случае режим CSD обладает более высоким приоритетом по сравнению с режимом GPRS, к тому же он менее энергозатратен);
  • использование в качестве дополнительного (резервного) SMS-канала.

Таким образом, в случаях большой неопределенности как в определении ресурса литиевых батарей, так и в условиях связи стандарта GSM в конкретных применениях большое значение для перспективной оценки технико-экономических показателей систем телеметрии имеет опыт практической эксплуатации подобного оборудования.

НПО «Турботрон» на протяжении многих лет занимается разработкой, производством и эксплуатацией комплексов телеметрии и телемеханики различного назначения, в том числе и с автономным питанием.


Проведенные научные исследования различных автономных источников питания, накопленный практический опыт эксплуатации позволяют адекватно оценивать возможности оборудования и оптимизировать его применение.

В качестве примера для уточнения реального ресурса литиевых батарей, а также оценки каналов связи стандарта GSM с точки зрения надежности при передаче информации предлагается рассмотреть результаты практической эксплуатации аппаратно-программного комплекса «Стел АП» на одном из объектов ООО «Газпром добыча Краснодар».

Для контроля давления на газосборном пункте Гп-2 Тахта-Кугультинского газового месторождения Светлоградского ГПУ в сентябре 2011 г. установлен контроллер «Стел АП» с питанием от литиевых батарей и передачей информации по каналу GSM в режиме CSD (рис. 2). Объект расположен на расстоянии 120 км от диспетчерского центра.

Многофункциональный контроллер с автономным питанием «Стел АП-Mn»

Рис. 2. Многофункциональный контроллер с автономным питанием «Стел АП-Mn»

Для передачи информации используются услуги одного сотового оператора Билайн, резервирование каналов связи не применяется. В качестве антенны используется ненаправленная антенна.

Контроллер установлен на открытой местности, к нему подключен один преобразователь давления с аналоговым выходным сигналом, показания которого контролируются каждые 30 секунд. В случае выхода давления за установленные пределы контроллер организует сеанс связи с диспетчерским центром для передачи аварийной информации, кроме этого, по расписанию каждые два часа (12 раз в сутки) контроллер передает на диспетчерский центр текущие значения давления и архивные данные за истекший период (рис. 3). Типовое время доведения информации составляет порядка одной минуты. В случаях сбоя при передаче данных контроллер осуществляет дополнительные попытки: одну при передаче текущей информации по расписанию и две – при передаче аварийной информации.

График давления на Гп-2 ТКГМ

Рис. 3. График давления на Гп-2 ТКГМ

Для такого режима работы производитель оборудования изначально определял ресурс литиевых батарей не более шести месяцев, однако контроллер продолжает исправно функционировать по настоящее время (февраль 2013 г.).

Общая наработка уже составляет более шестнадцати месяцев, в этот период входят зима 2011-2012 гг. с предельными отрицательными температурами до -27°С на протяжении примерно месяца и лето 2012 г. с температурами на солнце до +60°С (контроллер установлен на крыше сооружения и находится на солнце весь световой день). С учетом остаточного напряжения на литиевых батареях прогнозируется исправная работа оборудования еще на протяжении не менее шести месяцев.

Таким образом, если пересчитывать время работы контроллера для «штатного» режима (один плановый сеанс связи и одна аварийная ситуация в сутки), то в таком режиме можно прогнозировать ресурс комплекта батарей порядка 6-8 лет. Так как применение контроллера является типовым, то этот вывод можно распространить на всю продукцию НПО «Турботрон».

Надежность связи стандарта GSM упрощенно можно охарактеризовать с помощью процентного отношения количества успешных сеансов связи к общему количеству сеансов (рис. 4). На рисунке представлен произвольно выбранный фрагмент (48 суток) из всего периода испытаний, который по-своему виду является типовым. Так как в качестве общего количества сеансов рассматриваются только плановые сеансы, то значения на рисунке более 100% показывают, что к плановым сеансам связи были добавлены внеплановые для доведения аварийной информации. Внеплановые аварийные сеансы ввиду их непредсказуемости для упрощения можно не рассматривать. Наблюдаемые значения менее 100% показывают, что не все из 12 планируемых сеансов связи за сутки оказались успешными по разным причинам. Не все из этих причин связаны непосредственно с качеством связи, некоторые из них были обусловлены, например, сбоями программного обеспечения (операционной системы) компьютера диспетчерского центра, внеплановым его отключением, несвоевременным пополнением средств на счете SIM-карты и пр. Однако для упрощения оценки все несостоявшиеся сеансы связи считаются обусловленными некачественной связью.

График качества связи

Рис. 4. График качества связи

Анализ представленных за выбранный период данных свидетельствует, что общее количество успешных плановых сеансов связи составляет порядка 98% от их общего количества, что практически не уступает аналогичному показателю для комплексов, использующих передачу информации по радиоканалу. Кроме этого, есть и некоторые резервы для повышения надежности передачи информации.

Во-первых, можно увеличить общее количество попыток доведения информации (например, с двух до пяти).

Во-вторых, использовать направленную антенну с большим коэффициентом усиления.

И, в-третьих, использовать резервирование операторов связи стандарта GSM. Последний способ является, пожалуй, наиболее эффективным.

Таким образом, на основе представленной информации можно сделать следующие выводы:

  1. Использование литиевых батарей в качестве источника автономного питания является эффективным для достаточно простых и малопотребляющих комплексов телеметрии. Существенным ограничением подобных комплексов является «спящий» режим, однако для большого количества объектов этим можно пренебречь. Заявляемый производителем оборудования НПО «Турботрон» гарантированный ресурс работы литиевых батарей в три года адекватен для достаточно жестких условий эксплуатации. Реальный ресурс сильно зависит от особенностей применения оборудования на конкретном объекте и для типовых условий может быть увеличен минимум вдвое.
  2. Каналы связи стандарта GSM демонстрируют достаточно высокие показатели надежности передачи информации. Полное использование возможностей оборудования, правильный выбор режимов передачи данных в стандарте GSM, работа одновременно с несколькими операторами, оптимизация параметров сети позволяют достичь требуемой надежности передачи данных для систем телеметрии объектов нефтегазовой отрасли.

ЛИТЕРАТУРА:

  1. В. Чигридов, А. Сукиязов, В. Пантелеев. Сравнительное исследование ресурса Li-SOCI2 элементов питания при низких температурах. Компоненты и технологии №2, 2011.
  2. В. Пантелеев, А. Сукиязов, В. Чигридов. Сравнительное исследование ресурса Li-SOCI2 элементов питания для различных температур эксплуатации. Компоненты и технологии №12, 2012.
346800, Ростовская обл.,
1-й км автодороги Ростов-на-Дону-Новошахтинск, стр. 8/7
☎ +7 (863) 303-09-10
info@turbotron.ru
www.turbotron.ru


Читайте также:

ВЫПУСК 3/2022



Читать онлайн