Статья: Беспроводные датчики в нефтегазовой отрасли

Нижневартовский государственный университет

Беспроводные датчики в нефтегазовой отрасли

Никонова Е.З., Яковлева А.А.

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.

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.

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

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. беспроводной сенсорный сеть нефтегазовый

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

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.