Метод синтеза перспективных структур системы диагностики погружного электрооборудования на основе распределенных средств измерения
Система диагностики служит для измерения некоторых физических величин, определенных в качестве параметров контроля, их обработки в соответствии с предложенным алгоритмом, а также для формирования результата диагностики, содержащего диагноз и необходимую информацию по которой был он поставлен.
Основные моменты создания измерительной техники описаны в [7].Типичная система диагностики содержит датчики параметров контроля, нормирующие преобразователи, коммутатор или мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), микропроцессорную часть и систему вывода или отображения информации.
В данном случае построения системы диагностики необходимы первичные преобразователи вибрации, температуры, тока и напряжения (в соответствии с выбранными параметрами в п. 1.2). Сигналы с датчиков, чаще всего, имеют различные уровни и нуждаются в предварительной обработке (приведение импеданса или уровня сигнала к пределам цифровой части системы диагностики) нормирующими преобразователями [135]. Стоит отметить, что сигналы с датчиков могут быть как цифровыми, так и аналоговыми, поэтому необходимость нормирующего преобразователя, его функции и аппаратная реализация зависит от вида выходного сигнала с датчика.
После нормирующих преобразователей сигнал необходимо направить на мультиплексор, который в зависимости от управляющих воздействий подключает к цифровой части системы тот или иной первичный преобразователь. В данном случае под цифровой частью системы следует понимать элементы системы, работающие с цифровыми сигналами. После мультиплексора, выбранный сигнал поступает на АЦП, в котором преобразуется из аналогового сигнала в цифровой код. Далее сигнал поступает на микропроцессорную часть системы диагностики. Данная часть выполняет обработку измерительной информации (данные с датчиков) в соответствии с алгоритмом. В качестве микропроцессорной части может быть использован универсальный или специализированный микроконтроллер, обладающий достаточной вычислительной мощностью для заданных операций. Также может быть использован микропроцессор или совокупность микропроцессорных устройств, разделяющих между собой функции обработки.
По завершению обработки данных, информация поступает на устройство вывода или отображения информации. В качестве данной части системы могут быть использованы различные жидкокристаллические индикаторы, печатающие устройства, монитор, и т.д.
Описанная структурная схема представлена на рисунке 3.7.
Рисунок 3.8 - Структурная схема типовой системы диагностики:
ДВ – датчик вибрации, ДТМ – датчик температуры, ДН – датчик напряжения, ДТ – датчик тока, НП1…НП4, MUX – мультиплексор, АЦП – аналого-цифровой преобразователь, МПЧ – микропроцессорная часть, СОИ – система отображения информации
Недостатками приведенной структурной схемы являются:
ограниченное число датчиков вибрации и температуры;
жесткая архитектура системы диагностики, без широких возможностей ее расширения и модернизации;
ограниченные возможности отдельных микропроцессоров и микроконтроллеров к анализу сложных и динамически быстро меняющихся сигналов.
Для устранения описанных выше недостатков необходимо внести значительные структурные изменения в систему диагностики. Во введении данной работы была поставлена задача синтеза системы диагностики на основе распределенных средств измерения. Данная цель достигается за счет увеличения количества первичных преобразователей вибрации и температуры, которые необходимо устанавливать по всей длине испытуемого оборудования. Увеличение числа преобразователей тока и напряжения не имеет смысла, так как указанные параметры являются сосредоточенными и не зависят от геометрических конструкций, а являются характеристикой лишь электромагнитной части.
Ограниченные возможности микропроцессоров и микроконтроллеров не позволяют проводить точный анализ в режиме реального времени. Поэтому необходимо операции обработки, требующие наибольших вычислительных мощностей, переложить на стационарный промышленный компьютер (ПК) или портативный переносной компьютер (ноутбук).
Благодаря данным структурным изменениям появляется возможность разгрузить более медленные микроконтроллеры и перенести самые сложные операции на ПК. Это позволяет увеличить количество точек измерения и разделить задачи (функции) измерения и обработки измеренной информации. Структура приобретает определенную гибкость в возможностях модернизации.
Описанная структурная схема представлена на рисунке 3.8.
Несмотря на увеличение количества первичных преобразователей (что делает систему диагностики распределенной) и введение ПК как ключевого звена в обработке измерительной информации, данная структурная схема также имеет один из приведенных ниже недостатков:
невозможность подключения всех первичных преобразователей на оборудование в случае испытания его в вертикальной скважине;
невозможность испытания оборудования в вертикальной скважине в случае подключения всех первичных преобразователей.
Оба недостатка обусловлены габаритными размерами оборудования, так как в данном случае необходимо подсоединять датчики с помощью проводов и кабелей соизмеримыми по длине с испытуемым оборудованием, что невозможно вследствие высокого коэффициента затухания сигнала.
Рисунок 3.9 - Структурная схема системы диагностики на основе ПК и с увеличенным числом датчиков
Для устранения обоих недостатков необходима новая концепция синтеза системы диагностики, которая дает возможность измерения параметров контроля в нескольких точках оборудования при одновременном нахождении его в вертикальной скважине.
Синтез структурных схем системы диагностики погружного электрооборудования
В соответствии с анализом структурных схем систем диагностики сделан вывод о необходимости разработки новой концепции построения систем диагностики погружного электрооборудования. В рамках данной концепции должно быть исключено противоречие между возможностью использования нескольких датчиков температуры и вибрации, закрепленных по всей длине оборудования и возможностью проводить испытания в вертикальной скважине.
Конфликтующими составляющими являются габариты датчиков, а также канал передачи данных с датчиков. В данной работе предлагается новая концепция синтеза системы диагностики, заключающаяся в разделении функций измерения и обработки данных между микропроцессорными средствами погружной и наземной частей, а также в расположении первичных преобразователей совместно с микропроцессорной системой нижнего уровня и каналом передачи данных на поверхности корпуса испытуемого оборудования.
Любой первичный преобразователь, который крепится на корпус оборудования, снабжен микроконтроллером и элементами для реализации канала связи.
Таким образом, структурная схема устройства для измерения параметров контроля (далее измерительный модуль или ИМ) в каждой точке имеет следующий состав (рисунок 3.9):
датчик температуры (ДТ);
датчик вибрации (ДВ);
нормирующие преобразователи для датчиков (НП);
мультиплексор (MUX);
аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
микропроцессор или микроконтроллер (МПЧ);
элементы и узлы для обеспечения работы канала связи (ИУ);
элементы питания (ИП).
Датчики вибрации и температуры измеряют соответствующие параметры, после чего, в зависимости от состояния управляющих выходов мультиплексора, сигналы подаются на АЦП и далее на микропроцессор или микроконтроллер. Микроконтроллер или микропроцессор (совместно с ОЗУ) выполняют функции начальной обработки и временного хранения результата измерения, а также преобразование полученной измерительной информации в формат, соответствующий требованиям канала связи. После этого сигналы посредством канала связи из микроконтроллера или микропроцессора последовательно передаются на верхний уровень системы диагностики.
Рисунок 3.10 - Структурная схема измерительного модуля
Данная интерпретация концепции порождает следующие вопросы:
выбор канала связи между наземной и погружной частью системы;
аппаратный состав наземной части системы диагностики;
выбор первичных преобразователей и других элементов ИМ в соответствии с габаритными размерами зазора между оборудованием и скважиной;
оптимизация структуры ИМ в целом.
Канал связи должен обеспечивать передачу данных вибрации, которая имеет высокий динамический диапазон и фиксируется с очень малыми промежутками времени, с целью сохранения возможности построения временного сигнала в наземной части системы диагностики и проведения различного рода анализов, поэтому канал связи должен иметь достаточно высокую скорость передачи.
Также необходимо, чтобы канал связи обеспечивал возможность подключения большого количество ИМ к одной информационной шине, что является основным положением в предлагаемой концепции.
В связи с ограниченным пространством между оборудованием и НКТ в процессе эксплуатации необходимо, чтобы количество проводов (линий связи) для обеспечения корректной передачи данных было минимальным, следовательно, протокол передачи канала связи должен быть последовательным. Кроме того, аппаратная часть канала связи в ИМ должна быть реализована с минимальным количеством элементов, что также обусловлено ограниченным пространством.
Канал связи должен иметь простые процедуры управления, так как в микроконтроллере ИМ вычислительная мощность сильно ограничена. И наконец, канал связи должен обладать возможностью передачи данных на значительные расстояния без потери информации, так как все ИМ удалены от принимающей части как минимум на длину оборудования в скважине.
Таким образом, канал связи для сопряжения наземной и погружной частей системы должен соответствовать следующим требованиям:
иметь последовательный протокол передачи данных;
возможность подключения большого числа ИМ параллельно к одной информационной шине;
высокая скорость передачи данных;
простота управления передачей;
возможность реализации канала с небольшими аппаратными затратами в погружной части системы диагностики;
возможность передачи данных на большие расстояния.
Следующий вопрос, требующий решения, состоит в определении аппаратной составляющей наземной части системы диагностики. Выше была показана целесообразность использования компьютера (ПК или ноутбука) в качестве основы для обработки измерительной информации. Кроме того, необходимо обеспечить согласование информационных потоков с погружной части, формат которых определяется каналом связи, и стандартными портами обмена информации в компьютере (RS232, USB, LTP, и т.д.). Следовательно, в состав наземной части системы диагностики необходимо включить устройство преобразования форматов данных (УПФ). Структурная схема наземной части системы диагностики изображена на рисунке 3.10.
В настоящее время стенды диагностики снабжены современными пьезоэлектрическими датчиками вибрации. Данный тип датчиков имеет недопустимо большие, для поставленной задачи, габаритные размеры, что делает невозможным их применение в данном случае синтеза системы диагностики. Следовательно, при выборе первичных преобразователей, необходимо удовлетворить следующим условиям:
миниатюрные габаритные размеры;
удобный для обработки выходной сигнал с датчика;
достаточная точность измерения.
Рисунок 3.11 - Структурная схема наземной части системы диагностики
Под оптимизацией структуры системы диагностики понимается выбор необходимых аппаратных средств наземной и погружной части системы диагностики с целью обеспечения минимальных габаритов погружного ИМ. Данная задача может быть решена с помощью выбора компонентов (элементной базы), которые сочетают несколько элементов (составляющих) системы в одном. В данном случае имеется ввиду сочетание в одном электронном узле (например, в микросхеме) нескольких функций (например, микроконтроллер со встроенным АЦП).
Таким образом, определена базовая структурная схема системы диагностики погружного электрооборудования на основе распределенных средств измерения для испытаний в скважине. Кроме того, сформированы требования к основным функциональным блокам системы, удовлетворение которых в частном случае реализации позволит обеспечить ее полное функционирование в соответствии с поставленной задачей.