книги из ГПНТБ / Гешелин М.Г. Радиотелемеханизация в нефтедобывающей промышленности (системы и элементы)

жительность, частота и фаза. Однако амплитудный признак при пе­ редаче по радиоканалу ненадежен. Применение фазового признака требует относительно сложной аппаратуры для фиксации фазы. По­ этому практически целесообразно использовать частотный или вре­ менной признаки, причем более помехоустойчивым и надежно фик­ сируемым является частотный. В этом случае частота не может из­ мениться, тогда как при временном признаке всегда может иметь место дробление или укорочение импульса. Весьма существенным фактором при применении частотного принципа разделения импуль­ сов является возможность получения большого числа качеств им­ пульса. Применяя достаточно простые устройства, легко различать в тональном диапазоне до 15—20 частот.

Частотный признак может быть использован в любом канале связи. Это позволяет использовать для телемеханики радиоканалы, проводные линии, а также совмещенные, когда на одном участке ис­ пользуется радиосвязь, а на другом — проводная связь.

Все это позволяет рекомендовать частотный признак различия импульсов.

Представляется целесообразным иметь отдельный канал связи каждого куста с диспетчерским пунктом при общем числе кустов, не превышающем количества разрешенных фиксированных частот.

Применение отдельного канала для каждого куста исключает в схеме телемеханизации специальные узлы избирания куста, так как этот выбор определяется включением нужного канала связи. Необ­ ходимо иметь в виду, что это имеет смысл для систем, у которых число сосредоточенных ИП, или кустов, невелико.

Обусловленная технологическими условиями разбивка объек­ тов на группы позволяет рассматривать систему телемеханизации как систему, состоящую из отдельных комплектов, каждый из кото­ рых предназначен для связи с одним кустом. Это уменьшает необхо­ димую емкость системы по числу сигналов, так как она будет в этом случае определяться только количеством объектов одного куста.

Очень важно, что при таком разделении совершенно исключает­ ся необходимость учета одновременности прохождения сигналов с разных кустов, поскольку они принимаются независимыми прием­ ными блоками. Увеличение количества аппаратуры на диспетчер­ ском пункте вполне оправдывается применением более простых при­ боров на кустах и в приемных блоках диспетчерского пункта, а так­ же упрощением принципиальной схемы.

Аппаратура каждого комплекта различается только установкой фиксированной несущей частоты. Если используется проводная ли­ ния, аппаратура остается неизменной, а радиостанция заменяется усилителем.

Таким образом, по существу необходимо создать телемеханиче­ скую систему управления и сигнализации одного куста, предусмот­ рев возможность совместной работы нескольких комплектов для ку­ стовых объектов.

Принципиально можно применить следующие методы кодообратования:

1)качественный,

2)распределительный,

3)комбинационный,

4)число-импульсный,

5)частотно-импульсный.

Распределительный метод, заключающийся в посы’лке серии им­ пульсов, в которой порядковый номер импульса определяет объект, а качество импульса — посылаемую команду, меньше других под­ ходит для заданных условий. По этому методу в каждой передаче команды посылаются всем объектам. Между тем, диспетчеру нужно включать или отключать отдельные объекты куста, а не все одно­ временно. Посылка сигналов на все объекты каждый раз, когда не­ обходимо передать какой-либо сигнал, приводит к излишним сраба­ тываниям аппаратуры и повышает возможность ошибочного сраба­ тывания. Посылка сигналов на все объекты в каждый цикл работы устройства приводит к увеличению времени занятости канала связи, что не оправдано. Система включает распредители и узлы контроля синфазности их движения. Качественный метод избирания заключается в посылке сигналов в виде одиночных импульсов. Выбор объекта и команды определяется качественным отличием посылае­ мого импульса, в данном случае частотой. Емкость такой системы определяется выражением

Л1 - К,

где М — число сигналов, К —число качественных признаков.

Отсюда число частот должно быть равно числу сообщений и команд. Размещение данного числа частот в диапазоне выбранной аппаратуры предъявляет жесткие требования к стабильности гене­ раторов низкой частоты и резонансных реле. Учитывая, что полоса пропускания радиостанции — 300—3000 гц, разместить более 20—25 надежно различаемых частот крайне затруднительно. Коли­ чество аппаратуры при использовании этого метода также достаточ­ но велико.

Число-импульсный и частотно-импульсный методы избирания легко могут обеспечить необходимую емкость системы; однако пе­ редача в каждой команде нескольких последовательных импульсов, требующихся в том и другом случае, приводит к увеличению вре­ мени передачи сигнала, т. е. к излишней занятости канала связи, требует схемных и аппаратурных решений для разделения последо­ вательно во времени посылаемых импульсов и фиксации их на при­ емном пункте. Преимущества частотно-импульсной системы выяв­ ляются только при больших числах сигналов. При малой емкости удельный расход аппаратуры соизмерим с таковым при комбинаци­ онной системе, а вся система получается сложнее.

В ряде случаев целесообразно применять комбинационную систе­

50

му кодирования. Здесь сигнал образуется несколькими одновремен­ но посылаемыми частотами, комбинация которых определяет команду.

Преимущества такой системы заключаются в 1) минимальном времени передачи сигналов и 2) малом числе фиксированных частот.

1. Время передачи сигнала tc равно продолжительности одного импульса t„ , т. е. такое же, как и в наиболее простом, качествен­ ном одноимпульсном коде. Продолжительность импульса опреде­ ляется только постоянными времени элементов схемы:

-- 4 4“ 4р “1“ 4р'

сделана пренебрежимо малой, если поставить его в режим постоян­ ной генерации. Постоянная времени резонансных реле зависит от полосы пропускания; благодаря малому числу используемых частот ширина полосы пропускания резонансных реле может быть взята достаточно большой, чтобы обеспечить малые постоянные времени.

Время срабатывания исполнительных реле составляет

10—20 м/сек.

Таким образом, величина tn может быть 60—70 м/сек.

2. Емкость комбинационной системы по числу сигналов при ус­ ловии комплектного кодирования определяется числом сочетаний из /< фиксированных частот по п частот в сигнале и равна

М~---- ——.

Как видно из табл. 5, в случае, когда максимальная емкость си­ стемы равна 36 сигналам, получение 36 комбинаций достигается применением двухчастотного кода, составленного из 9 фиксирован­ ных частот. Для решения этой задачи требуется использование только. 2 генераторов и 9 резонансных реле. Девять фиксированных частот легко располагаются в звуковом диапазоне. Как указывалось выше, малое число фиксированных частот облегчает работу резо­ нансных реле и снижает требования к частотной стабильности ге­ нераторов.

Одновременность посылки частот в импульсе исключает необхо­ димость в наличии узлов, задающих и контролирующих распределе­ ние импульсов во времени. Шифратор состоит из наборных ключей, или контактов, которые вызывают срабатывание пары реле, опреде­ ляющей частоту генерации генераторов. Дешифратор представляет собой схему включения исполнительных реле контактами резонанс­ ных реле. Описание узлов приведено ниже.

Принцип комплектности построения кода позволяет легко осу­ ществить защиту системы от ложных срабатываний по числу частот в сигнале. Если одновременно сработает больше двух резонансных реле, включается реле защиты, не допускающее исполнения коман­ ды или фиксации ложного сигнала. Если сработает одно резонанс­ ное реле, выходная цепь не образуется по самому принципу построе­ ния кода.

Для большого количества рассредоточенных ИП, когда контро­ лируемых параметров на ИП не более 5, рационально использовать группирование ИП в кусты, которым присваивается фиксированная несущая частота. На ИП, условно объединенных в один куст, уста­ навливаются передатчики, имеющие одну и ту же несущую часто­ ту. Передатчики находятся в положении «заперто» и выходят в эфир только на период посылки сообщения. Каждому ИП в преде­ лах куста присваивается свой индивидуальный признак — подне­ сущая частота. Поднесущие частоты располагаются в пределах то­ нального спектра от 300 до 3000 гц. Сообщение зашифровывается импульсным кодом с различным временем паузы. По этому принци­ пу построено разделение сигналов и определение ИП в аппаратуре СРП-1. Сообщения об аварии в этой аппаратуре передаются непре­ рывно импульсами длительностью 75 мсек с паузой до 3—5 мин. Сообщения об откачке зашифровываются двумя импульсами той же длительности и паузой, или скважностью, порядка 2 сек.

Такая структура кода обеспечивает весьма низкую вероятность совпадения выхода двух передатчиков одного куста в эфир. При этом на диспетчерском пункте получаются все передаваемые сооб­ щения.

Все изложенное свидетельствует, что для систем с большим чис­ лом рассредоточенных объектов и для систем с сосредоточенными объектами при небольшом коэффициенте одновременности сообще­ ний наиболее рациональным является использование частотно-ком­ бинационного кодирования. Структура системы при этом методе ко-

52

дарования получается наиболее простой; сравнительно легко до­ стигается высокая помехоустойчивость и унифицированность си­ стемы.

Требования к элементам частотных систем довольно легко реа­ лизуются на практике. Опыт показал, что допуски в отклонении ча­ стотных характеристик на 15—20 гц вполне допустимы.

Если характеристики разделительных цепей таковы, что нужно учитывать только мешающие сигналы боковых полос, то в случае полосы пропускания фильтра, равной 150 гц, достаточно иметь ослабление по соседней частоте на 20 дб.

VI. ТЕЛЕИЗМЕРЕНИЯ

На нефтяных промыслах телеизмерениям подлежат дебит сква­ жин, расход жидкости и давление. Измерение дебита скважин и расхода жидкости производится по одному принципу, сводящемуся к подсчету числа импульсов, соответствующего числу откачек нефти из мерника или перекачке определенного количества воды. Как при измерении расхода жидкости, так и при измерении дебита элек­ трической системой подсчитывается число заранее заданных еди­ ниц. Контактные датчики срабатывают по мере наполнения мерных устройств или по мере перекачки строго определенного числа жид­ кости. Фактически ведут как бы программное измерение, при кото­ ром конечный результат получается путем вычислений, а именно:

А = ^, t

или

А' — п0В,

где пп — показания регистратора, В — заданный параметр, учитываемый датчиком, t — время.

Регистраторы, или счетчики являются интеграторами. Основным источником ошибок при этом методе измерения является конструк­ ция мерного устройства, учитывающего заданный параметр В, ко­ торая здесь не рассматривается. Электрическая же схема и приемо­ передающий тракт не вносят погрешностей в измерение. Пропада­ ние отдельных импульсов, подаваемых на счетчики, практически исключается.

Тракт измерения состоит из датчика, преобразовывающего не­ электрическую величину в электрический импульс, или импульсы, в зависимости от выбранного кода в телесистеме; поэтому передача информации об измерении ничем не отличается от передачи инфор­ мации о телеконтроле. Для передачи телеизмерения по этому мето­ ду требуется узкополосный канал, ширина которого определяется длительностью передаваемых импульсов. Измерения ведутся авто­ матически.

53

Количество измерений в единицу времени определяется дебитом скважин, объемом мерных устройств, а при измерении расхода во­ ды — производительностью насосов и типом расходомеров.

Приведенные выше выражения для А свидетельствуют, что изме­ ряемый параметр находится как средняя величина в единицу време­ ни или как сумма за рассматриваемый период времени.

Регистрация количества откачек нефти из мерника или количе­ ства перекачанной жидкости ведется цифровыми электромагнитны­ ми счетчиками телефонного типа. Этот метод измерения применен в. аппаратуре СРП-1 и СРП-3. Большая частота посылок измерения расхода жидкости в аппаратуре СРП-3 приводит к совпадению пе­ редачи сообщений об измерении. Вероятность совпадений для 10 расходомеров может составлять не более 0,3%.

Описанный метод можно рекомендовать в тех случаях, когда ин­ тегральный метод измерения параметра вполне достаточен (изме­ рение расхода жидкости).

Телеизмерение давления существенно отличается от вышеопи­ санных измерений как по самому принципу, так и по характеру из­ мерений. Метод измерения давления должен обеспечивать непре­ рывную фиксацию контролируемого параметра с получением ре­ зультата в любой момент по запросу диспетчера. Это вызывает не­ обходимость в непрерывном измерении при снятии показаний по мере надобности или по заранее заданному графику. Поэтому дат­ чик, находящийся в цепи следящей системы, должен быть включен постоянно. Датчик — преобразователь неэлектрической величины в электрическую непрерывно изменяет свой выходной параметр про­ порционально измеряемой величине. Передача выходного парамет­ ра датчика по каналу связи производится, как указывалось выше, по запросу. Исходя из технологических требований, этот метод наи­ более рационален. Требования к каналу связи при этом значитель­ но снижаются.

За время, в течение которого производится измерение, необходи­ мо получить полную картину изменения измеряемой величины. При измерении давления на станциях законтурного заводнения это вре­ мя составляет около десятка секунд, причем в случае получения не­ полной картины измерение повторяется.

Требование регистрации изменения давления приводит к необ­ ходимости иметь полосу частот, границы которой определяются пределами изменения измеряемого параметра — давления.

Наиболее рациональной системой для таких телеизмерений в пе­ риод разработки СРП-3 (1957 г.) являлась частотная.

Частотный метод можно использовать для унифицированных систем, работающих на любых линиях связи. Его можно применять также в случае ретрансляции и совмещения проводных каналов и радиоканалов связи. Частотные системы меньше других зависят от канала связи и потому более совершенны, пригодны для измерения любых неэлектрических и электрических величин.

54

Использование измерительных частотных систем показывает, что при измерении температуры, давления и т. п. этим методом легко получить точность порядка 3—5%.

В практике телеизмерений частотным методом применяются две основные схемы: прямого и балансного преобразования изменения телеизмеряемой величины В (или ее функции) в изменение частоты телепередачи.

Балансные схемы гораздо сложнее схем прямого преобразова­ ния. Поэтому они применяются весьма редко, обычно в тех случаях когда невозможно применить стабильные генераторы.

Схема прямого преобразования состоит из органа изменения ча­ стоты (ОЧ) генератора, на который непосредственно воздействует телеизмеряемая величина В, и самого генератора, модулирующего передатчик. В системе СРП-3 орган изменения частоты генератора непосредственно входит в устройство первичного прибора-преобра­ зователя (манометра). Считая преобразования'линейными, можно записать следующую зависимость:

Уг —УтО “1“ От,

где /т— частота телепередачи, /<н — коэффициент преобразования элемента настройки,

Ут о — частота, соответствующая /Зт = О, Вт—телеизмеряемая величина.

Из приведенной формулы видно, что при схеме прямого преоб­ разования изменения 7<н и f т0 влияют на измеряемую величину /т . Поэтому указанные параметры должны быть высоко стабиль­ ными, для чего генератор и орган его настройки должны быть так­ же высокостабильны.

•Приведенные рассуждения заставляют оценить стабильность па­ раметров телеизмерительной схемы и в первую очередь генератора.

Схема телеизмерительного генератора не отличается от схемы генератора комбинационных частот кода. Датчик измеряемого пара­ метра воздействует на сопротивления цепи баланса фаз генератора, а они в свою очередь меняют линейно частоту генератора; в резуль­ тате имеется следующая зависимость:

<от = уд.

Помимо Г-образного четырехполюсника, в цепи баланса фаз в генераторе применяется отрицательная обратная связь, обеспечи­ вающая высокую стабильность. Стабильность определяется постоян­

изменении температуры, влажности, давления, при смене ламп, ста­ рения деталей и т. д.

55

Так как цепь р вещественна, то нестабильность ее параметров практически не влияет на частоту. Нестабильность частоты генера­ тора определяется изменением сопротивлений и конденсаторов, вхо­ дящих в цепь 7.

Круговая частота генератора составляет

кизменению частоты

-----~ (а1/? + а2Т? + а1С 4" а2с)

СО

где а# и ас — температурные коэффициенты сопротивлений конденсаторов.

Схема четырехполюсника цепи ■[ с учетом выходного сопротив­ ления второго каскада Re показана на рис. 20.

Рис. 20. Четырехполюсник

Частота баланса для этого четырехполюсника равна

_________1_________

СУ R(R + Rt) ’

К® "Г

Здесь Z?o2 и Ri2 — сопротивления анодной нагрузки и внут­ реннее сопротивление второго каскада.

56

бильность генератора увеличивается, что указывает на целесообраз­ ность применения малых нагрузок во втором каскаде усиления.

Нестабильность частоты генератора обусловливается, кроме' то­ го, появлением дополнительных фазовых сдвигов из-за нестабильно­

стабильность. Для этого необходимо стабилизировать источники пи­ тания, применять лампы с большой крутизной характеристики и малые анодные нагрузки. Включение генератора по мостовой схеме, т. е. с отрицательной обратной связью, значительно повышает его стабильность по частоте; использование термистора в цепи обратной связи стабилизирует амплитуду генератора.

Кабельная, или проводная цепь соединения 04 должна быть очень стабильной, так как непостоянство ее параметров может вы­ звать погрешность телеизмерения. Сопротивления в цепи баланса фаз генератора подбираются таким образом, чтобы изменение со­ противления 04 на 1 ом вызывало изменение частоты на 1 гц. Ра­ бочий ход потенциометров манометров от минимума до максимума вызывает изменение частоты на 400 гц.

Спектр частот, занимаемый телеизмерением, лежит в пределах верхней части тональных частот для всех пяти измерений на одном

ИП.

Погрешность, вызываемая потенциометром, объясняется его не­ линейной характеристикой. При переходе щеток с витка на виток сопротивление потенциометра изменяется скачкообразно. Ширина ступеньки равна шагу намотки, высота — сопротивлению одного витка

Переход с витка на виток вызывает витковую погрешность. Наи­ большая погрешность при этом составляет половину витка, т. е.

Д/?п = 0,5rt = 0,5-^—;

57

еде Z? — полное сопротивление потенциометра. /<в— полное число витков, ту — сопротивление одного витка.

Витковая погрешность потенциометра в процентах полного со­ противления равна

у==^1со(о/о)=2£1(о/6).

При ограниченном ходе щеток необходимо брать не общее число витков, а рабочее, которое равно

*^раб

где S—рабочий ход щетки,

b — полная длина потенциометра.

Потенциметры имеют также погрешности, вызванные неоднород­ ностью провода по его длине, колебаниями шага намотки, неравно­ мерностью каркаса. Все это приводит к нелинейности характеристи­ ки потенциометра. Величина погрешности, вызванной нелинейно­ стью потенциометров, изготовленных в КБАТ, составляет 0,5—0,7%.

Регистрирующим приемником в частотно-измерительной схеме является частотомер, построенный по принципу зарядки и разрядки конденсатора. При условии полной зарядки и разрядки конденса­ тора количество электричества, сообщенного конденсатору и ответ­ вленное в цепь регистратора, равно

g = CU,

где С — емкость конденсатора,

.. U — напряжение батареи.

Регистрируемый ток при этом равен I=CUf.

Приведенное выражение свидетельствует о пропорционально­ сти тока измеряемой величине, а также о том, что погрешность из­ мерения, вызываемая приемником, обусловливается стабильностью конденсатора и питающего источника.

Резюмируя все сказанное выше, можно сделать вывод о необхо­ димости стабильности источников питания измерительной системы и параметров R и С, т. е. о том, что погрешность измерения зависит от стабильности датчиков и их конструкции, от стабильности генера­ торов и регистратора. Канал связи погрешности не вносит.

Описанный метод весьма прост и может быть рекомендован для телеизмерений в нефтяной промышленности.

58