Разработка измерительно-вычислительного комплекса для исследований работы термостабилизаторов грунтов в криолитозоне

И.П. Рило (Lpolirorip@gmail.com)

В.А. Кривых

В.Г. Бородин

Аннотация

В статье рассмотрены вопросы создания и применения измерительно-вычислительного комплекса (ИВК) для сбора, обработки и хранения данных исследуемых термостабилизаторов (термосифонов) в условиях полигона, применяемых для активной термостабилизации грунтов оснований объектов нефтегазового комплекса в криолитозоне. С помощью тщательно подобранных технических средств (компонентов комплекса) осуществляют измерение, регистрацию и обработку мгновенных значений наблюдаемых процессов с целью определения вектора информативных параметров (температуры, давления, перепада давления), описывающих модель процесса. Проведен подробный анализ внутреннего устройства ИВК, его программной и аппаратной части. Рассмотрены технические характеристики и принцип работы отдельных компонентов ИВК. Проведен сравнительный анализ схем подключения датчиков, выявлены преимущества и недостатки каждой из схем. Выполнена оценка компонентов системы на предмет их влияния на точность измерения температуры, давления и перепада давления.

Ключевые слова: система активной термостабилизации грунтов, термостабилизатор, измерительно-вычислительный комплекс, термометр сопротивления, преобразователь давления, модуль аналогового ввода.

Введение

В целях обеспечения глобальной энергетической безопасности и энергоэффективности развития российской нефтегазовой индустрии, а также учитывая природно-климатические условия, целесообразно разрабатывать и вовлекать в строительство современные локализованные термостабилизирующие системы для замораживания и термостабилизации грунтов, служащие основаниями для многих объектов и сооружений нефтегазовой отрасли при освоении месторождений в криолитозоне. При создании образцов новой техники и технологических процессов научные исследования представляют собой сложный итерационный процесс, представляющий сочетание теоретических и экспериментальных методов моделирования [12]. Основным направлением развития техники и технологии методов инженерной защиты несущей способности фундаментов зданий и сооружений в криолитозоне является повышение энергетической эффективности и снижение ее воздействия на окружающую среду.

Одними из эффективных элементов систем охлаждения, использующих принцип испарительно-конденсационного цикла, в настоящее время являются замкнутые двухфазные термосифоны различных конструкций. Пример такого агрегата-термостабилизатора представляет собой горизонтальная естественно действующая трубчатая система (ГЕТ), показанная на рисунке 1, с множеством датчиков – преобразователей температуры, давления и перепада давления.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки углекислотной ГЕТ: 1- конденсатор; 2 – испаритель; 3,4 – транспортный участок,  питающая и сливная трубы соответственно; 5 - элемент оребрения конденсаторного блока; t1-t8 – датчики температуры на испарителе; t9-t12 – датчики температуры на оребрении конденсаторного блока; t13, t14 – датчики температуры на коллекторах конденсаторного блока; p1-p5 – датчики давления на испарителе; p6 – датчик давления на конденсаторном блоке; ∆p – датчик перепада давления.

Рис. 2. Экспериментальная установка в натуральную величину с вертикальным конденсатором.

В большинстве случаев такие полномасштабные опыты чрезмерно дороги и часто невозможны. Альтернативой является проведение экспериментов на маломасштабных моделях. Однако в таком случае полученную информацию необходимо экстраполировать на натурный объект, а общие правила для этого часто отсутствуют. Кроме того, на маломасштабных моделях не всегда можно воспроизвести все свойства полномасштабного объекта. Это также снижает ценность полученных результатов. Во многих случаях измерения затруднены, и измерительное оборудование может давать погрешности.

Конструкция и размеры экспериментальной установки ГЕТ соответствуют промышленным образцам в натуральную величину, применяемых в криолитозоне для термостабилизации грунтов оснований объектов, в частности, нефтегазового комплекса.

Система активной термостабилизации грунтов ГЕТ большой единичной мощности является одной из основных систем, от работы которых зависит нормальное функционирование крупной геотехнической системы (ГТС). Рост тепловыделения в криолитозоне, обусловленный климатическим потеплением с одновременным увеличением линейных размеров ГТС нефтегазового комплекса, ставит задачу разработки эффективной ГЕТ, использующей двухфазный кипящий природный хладагент (аммиак или диоксид углерода) с применением длинномерного испарителя (до 300 м) и сохранением природных экосистем. Исследование эффективности работы ГЕТ с кипящим в канале хладагентом непосредственным образом определяется условиями возникновения в кипящем потоке гидродинамической неустойчивости и, естественно, колебательным характером протекающего процесса термостабилизации грунта, сопровождаемого пульсирующим характером температуры стенок испарителя по всей его длине и соответствующим изменением других параметров (давления, перепада давления). Поэтому достоверность получаемых результатов при работе ГЕТ обеспечивается комплексным характером исследований, подтвержденных большим числом экспериментальных данных с использованием современных методик и измерительных средств, метрологическим контролем, тщательной статистической обработкой результатов экспериментов. 

Только с помощью эксперимента обеспечивается получение достоверной информации об исследуемом объекте в реальном масштабе времени, после обработки которой возможно построение ее модели.

При проведении экспериментальных исследований, определялся вектор информативных параметров , адекватно описывающий модель в рамках поставленной задачи. С помощью технических средств осуществлялось измерение, регистрация и обработка мгновенных значений наблюдаемых процессов  с целью определения вектора информативных параметров , описывающих модель процесса. По результатам обработки информации устанавливалось взаимно однозначное соответствие между векторами  и :   используемое для построения искомой модели объекта [1, 10].

С помощью разработанного ИВК была получена достоверная информация о мгновенных многочисленных значениях параметров наблюдаемых процессов  на разных режимах работы ГЕТ в реальном масштабе времени, с целью определения вектора информативных параметров : где  - вектор давления,  - вектор перепада давления,  - вектор температуры,  - время.

Принципиальная функциональная схема ИВК представлена на рис.3.

Основной подсистемой ИВК является измерительно-вычислительный канал. Измерительный преобразователь, коммутатор и АЦП в комплексе представляют собой измерительный канал.

Рис. 3. Принципиальная функциональная схема ИВК (ИП – измерительный преобразователь (датчик), К – коммутатор, АЦП – аналого-цифровой преобразователь, МУ – масштабирующее устройство, ПО – процессор обработки,  КОНВ – преобразователь стандартов связи (конвертер) RS-485 / USB, ПК - персональный компьютер).

Преобразование данных АЦП в физические единицы (описано ниже) обеспечивает масштабирующее устройство и процессор обработки [5]. Вместе все эти компоненты, за исключением измерительного преобразователя, реализованы в одном устройстве – блоке аналогового ввода серии M-7000. Вид и схема ИВК приведена на рисунке 4.

Рис. 4 Вид и схема компонентов ИВК. 

Для измерения температуры использовались термометры сопротивления (табл. 1) [7, 13, 16].

Таблица 1. Характеристики термометров сопротивлений

Значение термометра сопротивления типа Pt100 измеряется модулем аналогового ввода M-7015 и преобразуется в сигнал стандарта RS-485  (рис. 5).

Рис. 5 Схема работы преобразователя температуры.

Для обработки показаний датчиков использовался модуль M-7015, в котором интегрированы все узлы измерительно-вычислительного канала (табл. 2) [15].

Таблица 2. Характеристика модуля M-7015

В модуле M-7015 в качестве АЦП применяется микросхема AD7711ARZ (производства фирмы ANALOG DEVICES) с трехпроводной схемой подключения термометров сопротивления. В состав микросхемы включен программируемый усилитель входного сигнала, который позволяет увеличить разрешающую способность АЦП, а также два генератора стабильного тока (200 мкА каждый), необходимые для организации трехпроводной схемы. AD7711ARZ имеет разрядность 24 бита, линейность ±0,0015%, потребляемую мощность не более 25 мВт в рабочем режиме.

Существуют различные схемы подключения термометров сопротивления (Resistance Temperature Detectors – RTD). Сопротивление выводов может привести к возникновению значительной погрешности, если не будут приняты адекватные меры для ее устранения, особенно в случае применения низкоомных термометров сопротивления. В таких схемах определенный ток (обычно постоянный) протекает через датчик, сопротивление которого увеличивается пропорционально температуре с высокой точностью, повторяемостью и довольно высокой линейностью. Рост сопротивления и соответствующее падение напряжения на датчике измеряется АЦП с достаточно большой точностью и зависит только от сопротивления самого датчика. Практически, особенно при двухпроводной конфигурации, реальное сопротивление между выводами датчика определяется сопротивлением датчика и выводов. Сопротивление выводов также зависит от температуры окружающей среды, обуславливая погрешность. С увеличением длины проводов величина погрешности для устройства с RDT может быть значительной, так как номинальное сопротивление RTD составляет от 100 до 1000 Ом, и его температурный коэффициент составляет порядка 0,4% на один градус температуры. Двухпроводная схема подключения датчиков обеспечивает меньшую точность по сравнению трехпроводной схемой, так как сопротивление выводов датчика и изменение его сопротивления в зависимости от температуры приводит к появлению значительной погрешности.

Трехпроводная конфигурация обладает значительными преимуществами по сравнению с двухпроводной схемой за счет наличия одного дополнительного измерительного вывода [9]. При этом погрешность уменьшается в два раза по сравнению с двухпроводной системой.

Для измерения давления использовали преобразователи и блок аналогового ввода, приведенные в таблицах 3, 4 по схеме, представленной на рисунке 6 [14, 17]. Выходным параметром преобразователей является изменение силы тока в диапазоне 4–20 мА в зависимости от давления. Для дифференциальных преобразователей измеряемая величина ∆p зависит от разницы измеряемых давлений между двумя точками на схеме ГЕТ (см. рис. 1).

 Рис. 6. Схема работы преобразователей давления.

Таблица 3. Характеристики преобразователей давления

Таблица 4. Характеристики модуля M-7017C

Модуль M-7017C имеет 8 аналоговых входов и работает в трех диапазонах измерения:

• -20÷20 мА;
• 0÷20 мА; 
• 4÷20 мА.

В ИВК применяется диапазон 4–20 мА как наиболее используемый в системах автоматики и сбора данных. На рисунке 7 представлена блок-схема модулей аналогового ввода M-7015 и M-7017C.

Рис. 7. Блок схема модулей аналогового ввода M-7015 и M-7017C.

На входе блока M-7017C установлен восьмиканальный коммутатор (мультиплексор), который по циклу попеременно коммутирует входные токовые сигналы (4–20 мА) на АЦП. Для работы АЦП необходимо преобразовать входные сигналы тока в сигналы напряжения, поэтому входы коммутатора шунтируются резисторами номиналом 125 Ом, следовательно, в диапазоне 4–20 мА напряжение, подаваемое на АЦП, будет изменяться от 0,5 до 2,5 В (рис. 7, позиции 1, 2). Аналогично работает блок М-7015, за исключением того, что коммутатор имеет 6 каналов, а входной сигнал блока – это напряжение от термометров сопротивления типа Pt100 (20 мВ при температуре 0°C).

В АЦП происходит оцифровка аналогового сигнала в последовательный 16-битный код, передаваемый на встроенный в модуль микроконтроллер [3, 4]. Цепи связи между АЦП и микроконтроллером имеют оптическую развязку, что необходимо для повышения защиты всей системы при возникновении в отдельных узлах и компонентах неисправностей (рис. 7, позиция 3).

Так как логика микроконтроллера работает с параллельными данными, то принятые 16-битные посылки от каждого из восьми каналов проходят операцию масштабирования, то есть данные переводятся из последовательного кода в параллельный. В качестве масштабирующего устройства используются программно-аппаратные средства самого микроконтроллера. Далее, пройдя процедуру масштабирования, полученные данные прописываются во внутреннюю память процессора. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) пересчитывает полученный и записанный в памяти код в физическую величину. Затем обработанные значения в формате протокола передачи данных DCON поступают в линию связи через интерфейс RS-485 (рис. 7, позиция 4). В функции микроконтроллера также входит управление и синхронизация АЦП и коммутатора.

Цифровой сигнал стандарта RS-485 передается по двухпроводной линии типа «витая пара» на расстояние до 1200 м в персональный компьютер (рис. 7, позиция 5). Перед персональным компьютером установлен конвертер I-7520AR (RS-485/RS-232) либо I-7561 (RS-485/USB), в связи с тем что стандарт RS-485 является промышленным и на обычных персональных компьютерах используется редко (рис. 8).

Рис. 8 Схема передачи цифровых данных на компьютер.

Настраиваемые параметры модуля, такие как скорость, формат обмена данными, адрес в сети, диапазон измеряемых значений и т.д., прописываются в энергонезависимую память модуля, а работа с ними осуществляется через служебную программу DCON Utilities, установленную на персональный компьютер.

Модуль шестиканального ввода термометров сопротивлений M-7015 построен и работает аналогично M-7017С. Принципиальная разница в том, что M-7017С измеряет ток, подаваемый на модуль, а M-7015 – значение термометров сопротивлений.

В модуле M-7015 установлен диапазон измерений –100º – +100°C. Погрешность модуля задана в относительных единицах [2]. Погрешности термометров сопротивления нормируются в абсолютных единицах, для расчета суммарной погрешности канала измерения необходимо пересчитать  относительную погрешность модуля M-7015 в абсолютное значение [11]. 

где  - абсолютное значение погрешности, °С,  – минимальное значение предела измерения модуля, °С,  – максимальное значение предела измерения модуля, °С,  – относительная погрешность модуля M-7015, % (табл. 2). 

Таким образом, абсолютная ошибка измерения модуля M-7015 составляет ±0,1°C. Суммарная погрешность канала измерения датчика температуры или давления приведена в таблицах 5,6.

Таблица 5. Максимальная абсолютная погрешность канала измерения температуры (модуль M-7015), в заданном диапазоне измерений термометров сопротивления.

Суммарная максимальная ошибка канала измерения давления:

где – суммарная погрешность канала измерения, %,   - заявленная относительная погрешность модуля M-7017C, %  – относительная погрешность датчика, %.

Таблица 6. Максимальная относительная погрешность канала измерения давления (модуль M-7017C)

На погрешность  канала измерения температуры в основном влияют следующие факторы:

• схема подключения термометра сопротивления (2-, 3-, 4- проводная);
• точность датчика;
• точность модуля преобразования аналогового сигнала датчика в цифровой вид;
• длина линии между датчиком и измерительным модулем;
• сечение используемых в линии проводов;
• количество и качество переходных клеммных соединений.

На погрешность  канала измерения давления в основном влияют следующие факторы:

• точность датчика;
• точность модуля преобразования аналогового сигнала датчика в цифровой вид;
• температура измеряемой среды.

Точность измерений - есть характеристика их качества, отражающая близость результата измерения к истинному значению измеряемой величины. Количественно точность измерений выражают через модуль относительной погрешности:

где  – абсолютная погрешность,  – измеренное значение параметра,  – величина параметра принятая для оценки (в данном случае значение полной шкалы используемых датчиков), δ – относительная погрешность.

При создании программной части ИВК (программного комплекса) была использована среда разработки RAD Studio XE4 (C++ Builder) в совокупности с системой управления базами данных (СУБД) Firebird 2.5. Rapid Application Development (RAD, быстрая разработка приложений) – концепция создания средств разработки приложений, уделяющая особое внимание быстроте и удобству программирования, созданию технологического процесса, позволяющего максимально быстро создавать программный продукт.

СУБД Firebird – высокопроизводительная кроссплатформенная реляционная база данных, сочетающая простую инсталляцию, чрезвычайно низкие системные требования и минимальную потребность в сопровождении, что очень важно для надежного функционирования создаваемого программного продукта.

В ходе разработки программного комплекса были задействованы библиотеки производителей измерительной аппаратуры для работы через порт связи RS232, а также для опроса приборов. В частности, для преобразователей давления Keller использовали классы и методы, позволяющие работать с внутренним протоколом обмена.

При проектировании структуры базы данных ставились следующие цели:

• обеспечение хранения всех экспериментальных данных;
• обеспечение целостности данных;
• возможность получения данных по любым запросам пользователя.

Программный комплекс состоит из двух взаимосвязанных компонентов – программы сбора и визуализации измеряемых параметров в реальном времени, а так же программы анализа накопленных экспериментальных данных за любой период времени. Взаимосвязь этих двух компонентов с СУБД показана на рисунке 9 [6].

Рис. 9. Блок-схема программного комплекса.

В соответствии со схемой размещения датчиков системы термостабилизации в программе сбора данных заполняются следующие настройки:

• порт связи с измерительным устройством;
• тип измерительного устройства;
• адрес измерительного устройства;
• скорость передачи данных;
• количество датчиков;
• тип датчиков;
• адрес датчиков;
• технические характеристики датчиков.

Программа сбора данных позволяет вручную указать период опроса измерительных устройств. В режиме реального времени идет визуализация каждого измеряемого параметра в виде кривых на графиках. Функция масштабирования позволяет отобразить график в нужном масштабе осей координат [8]. Для простоты анализа кривых на графиках предусмотрена возможность выбора того или иного измеряемого параметра.

Наряду с графической визуализацией программа сбора данных предоставляет возможность просмотра текущих данных в табличном виде, который разделен по вкладкам, соответствующим каждому измерительному устройству.

В случае, если необходимо просмотреть результаты испытаний за определенный промежуток времени, с помощью программы анализа данных можно показать все экспериментальные данные в двух видах – табличном и графическом. В табличном виде данные экспортируются в MS Excel, что позволяет производить последующие операции с данными.

Выводы

Экспериментальное применение ИВК позволяет создавать математические и физические модели эффективных процессов активной термостабилизации грунтов нефтегазового комплекса в зависимости от применяемых хладагентов (аммиака, диоксида углерода), степени заполнения хладагентом внутреннего пространства термостабилизатора и его конструктивного исполнения (геометрии) – длины и диаметра испарителя, соотношения поверхностей теплообмена конденсатора и испарителя.

Разработанное конкретное исполнение ИВК дает возможность с большой точностью фиксировать динамику протекающих теплообменных процессов в термостабилизаторах, отличающихся высокой стохастичностью и хаотичностью, диссипативным теплообменом в системах взаимодействия хладагент – грунт. При этом наблюдается большинство аномалий протекающих процессов при различных тепловых нагрузках системы.

Причиной возникновения вычислительной погрешности при преобразовании единиц измерения являются операции округления и усечения измеряемых величин до требуемого количества разрядов, но такая погрешность ничтожно мала относительно погрешности оборудования всего измерительного канала.

На текущий момент стоит задача автоматизации мониторинга объектов активной термостабилизации грунтов и методов измерения параметров протекающих процессов в ГТС нефтегазового комплекса в целях обеспечения безопасной их эксплуатации. Ручной метод сбора данных трудоемок и длителен, а также не обеспечивает достаточную точность и своевременность измерений. Автоматизация процесса мониторинга позволяет воссоздавать цельную текущую картину протекающих в ГТС изменений в online-режиме и своевременно принимать меры по предотвращению нежелательного развития процессов, приводящих к аварийному состоянию объектов, и зачастую связанного с этим огромного ущерба и небезопасной экологической ситуации.

Литература