WIRELESS SENSORS IN OIL AND GAS INDUSTRY

БЕСПРОВОДНЫЕ ДАТЧИКИ В НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ

Научная статья

Никонова Е.З.¹, Яковлева А.А.²

¹ORCID 0000-0003-4416-2629;

² ORCID 0000-0002-1106-2026;

^{1, 2} Нижневартовский государственный университет; Нижневартовск, Россия

* Корреспондирующий автор (nastyaya15[at]mail.ru)

Аннотация

В статье рассматриваются вопросы организации беспроводных сенсорных сетей приборов в нефтегазовой отрасли, программное обеспечение, необходимое для их работы, доказывается преимущество такой сети с точки зрения ее экономической сети, приводится пример практической реализации беспроводной технологии SmartWireless на месторождении Западной Сибири, а также анализируются преимущества и недостатки рассматриваемой технологии. Предлагается один из подходов отслеживания заряда аккумулятора беспроводных датчиков на базе стандарта Wireless HART с помощью мобильного приложения для оператора АСУ ТП.

Ключевые слова: системы сбора данных, мониторинг, беспроводные сети датчиков, программное обеспечение, стандарт Wireless HART.

WIRELESS SENSORS IN OIL AND GAS INDUSTRY

Research Article

Nikonova E.Z.¹, Yakovleva A.A.²

¹ ORCID 0000-0003-4416-2629;

² ORCID 0000-0002-1106-2026;

^{1, 2} Nizhnevartovsk State University; Nizhnevartovsk, Russia

* Corresponding author (nastyaya15[at]mail.ru)

Abstract

The paper discusses the organization of wireless sensor device networks in the oil and gas industry, the software required for their operation, and proves the advantage of this network from the point of view of its economic network, provides an example of the practical implementation of SmartWireless technology in a field in Western Siberia and analyzes the advantages and disadvantages technology under consideration. The authors propose one of the approaches for tracking the battery charge of wireless sensors based on the Wireless HART standard using a mobile application for the operator of industrial control systems.

Keywords: data acquisition systems, monitoring, wireless sensor networks, software, Wireless HART standard.

Компании нефтяной отрасли стремятся применять новые технологии, которые направлены на повышение эффективности, снижение затрат и безопасность технологически процессов. Оборудование, использованное в данной отрасли, как и сами процессы, требует построения распределенных систем сбора данных и непрерывной регистрации данных. Элементами систем мониторинга выступают датчики – средства измерений, вырабатывающие сигналы измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, хранения и обработки, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. При этом, передача этой информации осуществляется по кабельной эстакаде, на строительство которой требуются существенные материальные затраты, т.к. зачастую нефтегазовые объекты расположены в труднодоступной местности и распределены на обширной территории в несколько километров (см. рисунок 1) [3].

 

Рис. 1 - Распределенный нефтегазовый комплекс

Среди основных недостатков кабельной эстакады выделяются высокая материалоемкость, трудоемкость монтажа, использование резки и сварки несущих элементов эстакад, а так же их небольшая кабельная емкость, обусловленная ограниченностью ассортимента кабельных конструкций, монтируемых на горизонтальных прогонах кабельных эстакад (см. рисунок 2).

Рис. 2 - Кабельная эстакада

 

Одно из основных решений данной проблемы — примение беспроводных сенсорных сетей приборов (Wireless Sensor Networks, WSN), которые могут применяться на нефтехимических и нефтеперерабатывающих заводах, скважинах, пробуренных с берега, накопительных станциях, подводной разработки месторождений и на морских платформах нефтегазодобычи.

Технология беспроводных сенсорных сетей промышленной автоматизации построена на стандарте Wireless HART (IEC 62591). В основу работы стандарта Wireless HART положена технология самоорганизующихся ячеистых сетей (Mesh network). Последние образуются на основе множества соединений типа «точка–точка», находящихся в области радиопокрытия друг друга. Технология, построена таким образом, позволяет беспроводным полевым приборам взаимодействовать друг с другом самостоятельно, что экономит время запуска системы [6], [8].

Ключевыми преимуществами стандарта Wireless HART являются:

• соединение между датчиками автоматическое и исключает необходимость настройки прибора и администрирования сети.
• способность любого датчика выполнять функции маршрутизатора для других рядом расположенных приборов, что обеспечивает высокую надежность сети благодаря наличию резервных маршрутов передачи данных: при выводе одного из датчиков из эксплуатации данные будут передаваться через другой – в обход по резервному пути [6], [9].

Измерительная информация, полученная беспроводным датчиком, передается в шлюз, который оснащен интегрированной или выносной антенной и может находится в полевых условиях или операторной. Прямая видимость между беспроводным прибором и шлюзом не требуется. Шлюз представляет собой беспроводной вариант коммутационных панелей и распределительных коробок. Он подключается к контроллеру посредством стандартных промышленных протоколов, таких как Modbus и ОРС (Open Platform Communications), через Ethernet-соединение, последовательную шину RS-485 или другую существующую сеть передачи данных (см. рисунок 3). Контроллер, в свою очередь,  передает информацию в разные информационные системы: Web-браузер, архив данных, систему AMS Device Manager или систему управления [3].

Электрическое питание датчиков обеспечивается модулем питания с искробезопасным исполнением. Периодичность зарядки в среднем составляет до одного раза в год и напрямую зависит от частоты опроса датчика.

 

Рис. 3 – Структура беспроводной сет  и на основе стандарта Wireless HART

Главным недостатком беспроводных датчиков является срок службы модуля питания.  Заявленный срок жизни такого модуля составляет до 10 лет по данным компании Emerson – главного производителя беспроводных приборов и создателя Wireless HART.

Второй недостаток – беспроводные приборы относятся к устройствам малого радиуса действия и способны передать информацию на расстояние до 300 м без использования ретрансляторов. На сегодняшний день беспроводные датчики набирают популярность, но в SCADA-системах отсутствует контроль срока службы модуля питания беспроводного датчика, который является необходимым параметром для обеспечения работы системы управления и своевременной регистрации измеряемой информации.

Срок эксплуатации модуля питания зависит от периодичности опроса датчика, которая составляет порядка одной секунды. Если датчик работает как ретранслятор, т.е. помимо собственных показаний принимает и передает показания соседнего прибора, то срок жизни батареи питания уменьшается. Помимо этого, эксплуатация беспроводного прибора в районах Крайнего Севера при температурах до минус 60 сокращает срок службы батареи до 4-6 лет.

Для запуска сети с беспроводными датчиками необходимо три различных программных сегмента. Первый программный сегмент - программное обеспечение для координации связи между датчиками. Данное программное обеспечение разрабатывает поставщик аппаратного обеспечения.

Второй сегмент содержит команды прикладного уровня и записывается в узле датчиков. Этот код обеспечивает регулирование приема аналоговых сигналов от различных датчиков и оцифровывает данные сигналы в цифровые сообщения, которые содержат информацию о параметрах контролируемой среды. Измерение параметров и передача сообщений в центральную станцию осуществляется с установленной периодичностью.

Третий программный сегмент, необходимый для работы беспроводной сети датчиков, представлен программой, выполняющейся на главном компьютере, принимающим все данные. Пункт сбора данных запрограммирован на выгрузку принимаемых сообщений в персональный компьютер, в котором они вносятся в текстовые файлы. Программа написана на главном компьютере и предназначена для обработки данных [10].

Программное обеспечение датчика разрабатывается и устанавливается заводом-изготовителем. В нем содержится рабочие параметры датчика, конфигурирование которых осуществляется с помощью портативного коммуникатора:

• вид физических единиц;
• значение времени демпфирования (от 0 до 25,6 с – по выбору пользователя);
• тэг: 8 алфавитно-цифровых знаков;
• сообщение: 32 алфавитно-цифровых знака;
• дескриптор: 16 алфавитно-цифровых знаков;
• дата и др.параметры [5].

Так же программное обеспечение содержит защищенную от перезаписи информацию: тип датчика, предельные значения измерения, минимальная шкала, заполняющая жидкость, изоляционные материалы, серийный номер модуля и номер версии программного обеспечения [10].

Беспроводные датчики предназначены для установки на промышленных предприятиях, где даже небольшие расстояния труднодоступны или затратны для покрытия классическими проводными сетями. Применение беспроводных датчиков дает компаниям ряд преимуществ:

• сокращение сроков запуска оборудования, потому что необходимость в прокладке кабельных трасс отсутствует;
•  получение доступа к той информации, которую ранее было невозможно получить вообще, или для доступа к которой требовались большие вложения;
•  возможность добавления новых точек измерения без значительных трудозатрат.

Расходы на стандартное проводное подключение типичного проекта автоматизации с учетом стоимости дополнительного оборудования и трудозатрат человека, повышают стоимость любого проекта автоматизации вне зависимости от его типа и размеров.

Рассчитаем смету минимальных затрат на материалы, необходимые для строительства ста метров кабельной эстакады для одного прибора.

Стойки проложим с шагом 0,7 м. На каждую стойку потребуется 2 полки и два ряда лотков, соответственно: одна для прокладки силового кабеля, вторая – для контрольного согласно ПУЭ [4].  Для расчета взята средняя стоимость материалов (см. таблицу 10) в ценах за 2020 год [2].

 

Таблица 1 - Расчет затрат на материалы

Наименование материала	Требуемое количество	Единица измерения	Цена за единицу, руб.	Стоимость, руб.
Опорная конструкция BTL-20  1700 мм	59	шт.	4 586,83	270 622,97
Стойка кабельная оцинкованная К1150 400 мм	282	шт.	96,00	27 072,00
Полка кабельная оцинкованная К1162 355 мм	282	шт.	89,00	25 098,00
Лоток перфорированный замковый 100×50×2500×0,7 мм	80	шт.	233,00	18 640,00
Кабель контрольный ГЕРДА-КВнг(А)-LS 4×1,5	100	м	289,32	28 932,00
Кабель силовой ВВГ-П нг(А)-LS 2×2,5	100	м	31,34	3 134,00
Провод заземления ПуГВ 1×4,0	10	м	23,34	233,40
Металлорукав в ПВХ-изоляции Ду 25 мм	10	м	114,70	1 147,00
Итого, руб.:	374 879,37

   

Помимо затрат на материалы, требуются затраты на проектирование, строительство и техническое обслуживание.

Стоимость одного модуля питания составляет около 20000 руб. Следовательно, для эксплуатации беспроводного датчика со сроком службы десять лет в условиях Крайнего Севера с учетом замены модуля питания каждые четыре года потребуется закупить три модуля питания. Затраты составят 60000 руб.

На нефтегазовом месторождении в Западной Сибири специалистами предприятия были применены беспроводные датчики [7]. Перед компанией стояла задача оптимизации процесса нефтегазодобычи за счет управления продуктивностью добывающих скважин и создания условий для эффективной и своевременной регистрации возможных аварийных ситуаций и неполадок. Для этого необходимо было обеспечить мониторинг параметров скважин: линейного, затрубного и буферного давления фонтанной арматуры, и температуры за штуцером скважин.

При больших расстояниях, в условиях болотистой местности применение традиционных проводных датчиков было экономически невыгодным. Чтобы подключить и обслуживать в дальнейшем проводные контрольно-измерительные приборы, было бы необходимо построить кабельные эстакады и проложить кабельные трассы непосредственно до каждой скважины. Вероятность обрыва линий на этапе освоения месторождения была высокой. Другим немаловажным фактором являлись сроки реализации и ввода в эксплуатацию проекта как на стадии проектирования, так и в процессе монтажных работ. Оптимальным выбором  стало применение беспроводного оборудования благодаря минимальной стоимости монтажа и обслуживания [3].

Датчики установили непосредственно на оборудовании устья скважин (см. рисунок 4). Для контроля линейного, затрубного и буферного давления скважин использовали беспроводные преобразователи давления Rosemount 3051S, для контроля температуры на линии – датчики температуры Rosemount 648.

 

Рис. 4 - Бепроводные датчики, установленные на устье скважины

 

Датчики оборудованы термочехлами без обогрева для обеспечения работоспособности при низких температурах в зимний период.

По беспроводному каналу информация с приборов передается на шлюз SmartWireless, который установлен в отапливаемом блоке контроля и управления и подключен к шкафу телемеханики по протоколу Modbus RTU.

Беспроводные датчики эксплуатировались четыре года в условиях Крайнего Севера, работали исправно и не потребовали замены модулей питания. В дальнейшем предприятием было автоматизировано более пяти месторождений с использованием беспроводных датчиков, а общий парк беспроводных приборов составил порядка тысячи единиц [7].

Этот опыт еще раз доказал, что внедрение беспроводной технологии SmartWireless позволяет:

• сократить капитальные затраты как на этапах проектирования и ввода в эксплуатацию, так и на плановое обслуживание оборудования;
• повысить качество установки, исключив проблемы, характерные для проводных кабельных линий;
• провести монтаж беспроводного оборудования в минимальные сроки.

Таким образом, на сегодняшний день беспроводные датчики – это экономичный и разумный подход к автоматизации процессов, удовлетворяющий современным требованиям, установленным в промышленности. Эффективность их применения доказана на примере зарубежных и отечественных нефтегазодобывающих производств.

С каждым годом популярность беспроводных решений увеличивается. В будущем тенденция к распространению беспроводных технологий не только на отдельные объекты, но и на все производство сохранится и будет только усиливаться.

Несмотря на то, что технология беспроводных датчиков считается одной из самых передовых и интересных, существует еще множество нерешенных проблем.  Как уже было отмечено, одним из недостатков беспроводных датчиков является срок службы модуля питания, который зависит от частоты опроса датчика. Кроме того, если датчик работает как ретранслятор, т.е. помимо собственных показаний принимает и передает показания соседнего прибора, то срок жизни батареи питания уменьшается. Возникает необходимость отслеживания и своевременной замены аккумуляторных батарей сети беспроводных датчиков.

Существуют алгоритмы расчета времени автономной работы беспроводного датчика, которые можно использовать для определения времени замены батареи датчика.

Поэтому одним из решений задачи отслеживания заряда аккумулятора для корректной работы АСУ технологического процесса в нефтегазовой отрасли с использованием беспроводных датчиков на базе стандарта Wireless HART может быть программа мобильного отслеживания заряда аккумулятора беспроводного датчика для АРМ-оператора АСУ ТП кустовой площадки.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Emerson [Электронный ресурс]. – URL: : https://www.emerson.ru/ru-ru (дата обращения 27.05.2020)
2. TDM Electromarket [Электронный ресурс]. – URL: : http://tdmelectric.ru/ (дата обращения 27.05.2020)
3. Опыт применения беспроводных технологий в промышленности [Электронный ресурс]. – URL: https://www.emerson.ru/ru-ru (дата обращения 27.05.2020)
4. Правила устройства электроустановок (ПУЭ), седьмая редакция [Электронный ресурс]: утв. приказом Минэнерго России 08.07.2002 : ввод в действие с 01.01.2003.
5. US.C.30.059.A № 58222 Российская Федерация. Свидетельство об утверждении типа средства измерений / заявитель и обладатель Emerson. – № 14061-15; утвержден 27.03.2015. – 4 с.
6. Тагиров, Д.Н. WirelessHART – единственный беспроводной протокол связи, удовлетворяющий требованиям рынка АСУТП [Текст] / Д.Н.Тагиров // Автоматизация в промышленности. – 2013. – август (№8). – С. 56-58.
7. Тагиров, Д.Н. Беспроводные технологии в СНГ [Текст] / Д.Н. Тагиров // Информатизация и системы управления в прмышленности. – 2015. – № 2(56) . – С. 65-68.
8. Тхорук Д.К. Интеллектуальные беспроводные системы контроля технологических параметров по протоколу WIRELESSHART [Текст] / Д.К. Тхорук, В.Л. Иванов // Журнал Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. – 2015. – Т.3. – № 8-1 – С. 339-342.
9. Хамов А.А. Беспроводные решения SMART WIRELESS для мониторинга параметров технологических процессов / А.А. Хамов // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. – 2009. – № 1. – С. 53-56.
10. Хэли, В.М. Опыт построения сети беспроводных датчиков для мониторинга систем ОВК зданий / В.М. Хэли // ASHRAE : пер. с англ. яз : Л.И. Баранова.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Emerson [Electronic resource]. - Access mode: https://www.emerson.ru/ru-ru (accessed 27.05.2020) [In Russian]
2. TDM Electromarket [Electronic resource]. – Access mode: http://tdmelectric.ru/ (accessed 27.05.2020) [In Russian]
3. Opyt primeneniya besprovodnykh tekhnologiy v promyshlennosti Experience in the use of wireless technology in industry [Electronic resource]. - Access mode: https://www.emerson.ru/ru-ru (accessed 27.05.2020) [In Russian]
4. Pravila ustroystva elektroustanovok (PUE), sed'maya redaktsiya [Rules for the installation of electrical installations (PUE), 7^th edition] [Electronic resource]: Approved by the order of the Ministry of Energy of Russia on 08.07.2002: putting into force on 01.01.2003. [In Russian]
5. C.30.059.A No. 58222 Russian Federation. Certificate of measuring device type approval / Applicant and Owner: Emerson. – No. 14061-15; approved on 03/27/2015. – 4 p. [In Russian]
6. Tagirov, D.N. WirelessHART – yedinstvennyy besprovodnoy protokol svyazi, udovletvoryayushchiy trebovaniyam rynka ASUTP [WirelessHART – the only wireless communication protocol that meets the requirements of the process control market] [Text] / D.N. Tagirov // Avtomatizatsiya v promyshlennosti [Automation in industry]. – 2013. – August (No. 8). – P. 56-58. [In Russian]
7. Tagirov, D.N. Besprovodnyye tekhnologii v SNG [Wireless technologies in the CIS] [Text] / D.N. Tagirov // Informatizatsiya i sistemy upravleniya v prmyshlennosti [Informatization and control systems in the industry]. – 2015. – No. 2 (56). – P. 65-68. [In Russian]
8. Thoruk D.K. Intellektual'nyye besprovodnyye sistemy kontrolya tekhnologicheskikh parametrov po protokolu WIRELESSHART [Intelligent wireless systems for monitoring technological parameters according to the WIRELESSHART protocol] [Text] / D.K. Thoruk, V.L. Ivanov // Zhurnal Aktual'nyye napravleniya nauchnykh issledovaniy XXI veka: teoriya i praktika [Journal Actual directions of scientific research of the XXI century: theory and practice]. – 2015. – V.3. – No. 8-1 – P. 339-342. [In Russian]
9. Khamov A.A. Besprovodnyye resheniya SMART WIRELESS dlya monitoringa parametrov tekhnologicheskikh protsessov [Wireless solutions SMART WIRELESS for monitoring the parameters of technological processes] [Text] / A.A. Khamov // Oborudovaniye i tekhnologii dlya neftegazovogo kompleksa [Equipment and technologies for the oil and gas complex]. – 2009. – No. 1. – P. 53-56. [In Russian]
10. Heli, V.M. [Experience of constructing a network of wireless sensors for monitoring HVAC systems of constructions] [Text] / V.M. Heli // ASHRAE: Trans. from English by L.I. Baranova. [In Russian]