Система телемеханики магистрального трубопровода на основе связи стандарта GSM

Нефтегазовая отрасль является ведущей в российской экономике. При этом эффективным способом доставки углеводородов на внутренний и внешний рынки является трубопроводный транспорт. Разветвленная сеть трубопроводов охватывает практически все регионы страны, а общая протяженность трубопроводов составляет около двухсот тысяч километров.

В.В.Трофимов в своей работе [71] описывает традиционно сложившуюся многоуровневую автоматизированную систему управления (АСУ) технологическим процессом (111) магистральных нефтепроводов. АСУ ТП магистральных нефтепродуктопроводов и газопроводов имеет такую же структуру [5,6]. Поэтому далее будем говорить об АСУ ТП магистральных трубопроводов (МТ).

АСУ ТП МТ включает следующие уровни [72]. Названия уровней приведены в соответствие с современной терминологией [4].

1. Уровень управления агрегатами и устройствами, включающий системы управления насосными агрегатами, дросселирующими заслонками, вспомогательными системами, узлы учета и др.

2. Уровень местного диспетчерского пункта (МДП). На этом уровне решаются задачи управления процессами в магистральной перекачивающей станции (ПС), включая процессы на линейном участке (ЛУ).

3. Уровень районного диспетчерского пункта (РДП). Здесь решаются задачи управления режимами перекачки углеводородов по магистральному трубопроводу, такие как под держание режима, переход с режима на режим, пуск и остановка трубопровода, контроль прохождения партий углеводородов, запуск и сопровождение прохождения средств очистки и диагностики, расчет объемов углеводородов в резервуарном парке (РП) и др.

4. Уровень территориального диспетчерского пункта (ТДП). На этом уровне решаются задачи управления и координации работы сети из магистральных трубопроводов и процесса сдачи продукта потребителям. Например, выбор и согласование режимов перекачки по отдельным трубопроводам, входящим в сеть МТ, контроль отгрузки на железной дороге и сдачи на нефтеперерабатывающие заводы, приема и наличия нефти в РП, откачки в другие МТ и др.

5. Уровень центрального диспетчерского пункта (ЦДЛ). На этом уровне решаются задачи управления и координации работы всей сети магистральных трубопроводов для обеспечения ритмичности поставок углеводородов потребителям путем выдачи в ТДП плановых заданий и контроля их выполнения. Например, выдача планов поставок углеводородов потребителям на определенный период (год, месяц, декада) и др.

Важнейшей частью АСУ ТП МТ является система телемеханики (СТМ). СТМ МТ обеспечивает взаимодействие МДП с пунктами контроля и управления (КП), расположенными на линейном участке (ЛУ) МТ. Линейный участок МТ состоит из участков трубопровода, соединяющих перекачивающие станции между собой либо с приемо-сдаточными пунктами. ЛУ МТ включает несколько КП, установленных на трубопроводе примерно через каждые 10 км.

Основными элементами СТМ, как правило, являются программируемые логические контроллеры (ПЛК), объединенные в сеть связи.

Иерархическая модель описанной АСУ ТП МТ представлена на рис. 1. (СТМ выделена пунктирной рамкой.).

Некоторые МТ располагаются в местности (например, горных районах), где прокладка кабельных линий связи является невозможной или сопряжена с большими временными и денежными затратами [40].

Кроме того, при создании распределенных систем на базе кабельных линий связи возникают различные проблемы в силу следующих причин [22].

1. Высокая стоимость самих кабельных линий связи и их монтажа.

2. Значительные затраты на содержание и ремонт кабельных линий.

3. Расход кабеля существенно увеличивается в распределенных системах.

Радиомодемы с выделенной частотой обладают следующими недостатками: 1) существует необходимость лицензирования частоты- 2) для получения большой зоны охвата территории требуется установка повторителей.

Связь GSM лишена вышеперечисленных недостатков, и ее применение существенно упрощает, ускоряет и удешевляет создание распределенных систем [27,76].

В России и в мире системы на основе GSM используются для решения задач учета энергоресурсов, удаленного сбора информации, навигации, логистики, безопасности и др. Однако на основе GSM еще не разработаны системы по управлению сложными промышленными объектами, такими как магистральные трубопроводы. Таким образом, создание системы телемеханики магистрального трубопровода на основе GSM является актуальной проблемой, решение которой является целью данной работы.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.

1. Изучить существующие автоматизированные системы на основе связи стандарта GSM.

2. Провести анализ услуг передачи данных, предоставляемых оператором и сделать вывод о пригодности GSM для использования в системах телемеханики.

3. Разработать методологию создания систем телемеханики на основе.

GSM.

4. Создать систему телемеханики на основе GSM.

5. Исследовать характеристики системы телемеханики на основе GSM и провести поиск способов их улучшения.

Следовательно, объектом исследования является система телемеханики магистрального трубопровода на основе связи стандарта GSM.

Исходя из перечисленных задач, предметом исследования являются: методы, используемые при создании системы телемеханики на основе GSM, характеристики данной системы и способы их улучшения.

Для решения поставленных задач использовались методы системного анализа, теория алгоритмов, теория конечных автоматов, теория эксперимента, математическая статистика.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработана методология для создания систем телемеханики на основе GSM.

2. Предложена технология передачи информации в комплексной телемеханической системе на основе GSM.

3. Создан протокол ElSyGSM для передачи всех видов телемеханической информации.

4. Разработаны алгоритмы, обеспечивающие одновременную работу сеанса связи Data call, отправку и получение SMS.

Практическая ценность диссертационной работы:

1. Создана система телемеханики магистрального трубопровода на основе GSM.

2. Разработано программное обеспечение (ПО) для исследования характеристик услуг Data call и SMS, которое можно использовать для заданного оператора GSM в произвольной географической точке в различных практических приложениях. При незначительной модификации ПО можно использовать для исследования услуг сотовых сетей других стандартов.

3. Выполнено исследование характеристик быстродействия и надежности услуг оператора GSM, по результатам которого предложены способы повышения быстродействия и надежности системы.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Реализованная технология передачи телемеханической информации по сети GSM, а также способы, предложенные на основе результатов проведенных исследований, повышающие быстродействие и надежность системы телемеханики на основе GSM.

2. Выявленные зависимости, позволяющие по параметрам системы и характеристикам услуг GSM рассчитать показатели быстродействия и надежности системы.

3. Программно-алгоритмическое обеспечение по измерению характеристик услуг заданного оператора в произвольной географической точке.

Результаты работы, в частности разработанное программно-алгоритмическое обеспечение, используются для создания систем телемеханики магистральных трубопроводов в ПИИ Электронных систем, охранных систем удаленных объектов в ООО «НПФ «Информационные системы безопасности», а также в учебном процессе ТУСУР, что подтверждается актами о внедрении (см. приложение 3).

Основные результаты диссертационной работы получены автором самостоятельно. Автором разработаны: методология создания систем телемеханики на основе GSMтехнология передачи телемеханической информации по сети GSMпротокол ElSyGSM, алгоритмы и ПО для аппаратного модуля ПЛКспособы защиты передаваемой информации. Также автором создано ПО для исследования характеристик услуг Data call и SMS и проведено экспериментальное исследование, по результатам которого предложены способы повышения быстродействия и надежности системы. Постановка задачи и результаты исследования обсуждались с д.т.н., профессором А. А. Шелупановым. Предварительное исследование услуг GSM было выполнено совместно с П. Г. Нестеренко. Анализ методов повышения надежности программного обеспечения был произведен совместно с Д. В. Савельевым, К. Н. Филькиным и К. С. Сариным.

По результатам проведенного исследования опубликовано 10 работ (из которых 1 в издании из Перечня ВАК).

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, выставках и семинарах:

1. Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР», г. Томск, 2005, 2006,2007 гг.

2. Третьей международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления», г. Томск, 2005 г.

3. 30-м Международном семинаре-презентации и выставке «Автоматизация. Программно-технические средства. Системы. Применения», ИПУ РАН, г. Москва, 2006 г.

4. Всероссийской с международным участием научно-технической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники», г. Красноярск, 2006 г.

5. 1-й Межрегиональной научной конференции «Современные проблемы радиоэлектроники», г. Ростов, 2006 г.

6. Международной научно-технической конференции «Сложные системы управления и менеджмент качества CCSQM'2007», г. Старый Оскол, 2007 г.

7. Томских IEEE-семинарах.

8. Научно-практических семинарах кафедры КИБЭВС ТУСУР «Системы моделирования, проектирования и управления», г. Томск.

9. Научно-технических семинарах НИИ Электронных систем, г. Томск.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 103 наименований и 3 приложений. Работа включает 44 рисунка и 23 таблицы. Общий объем работы составляет 141 страницу.

8. Результаты работы, в частности разработанное программно-алгоритмическое обеспечение, используются для создания систем телемеханики магистральных трубопроводов в НИИ Электронных систем, охранных систем удаленных объектов в ООО «НПФ «Информационные системы безопасности», а также внедрены в учебный процесс ТУСУР, что подтверждается актами о внедрении.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертационная работа является законченным научным исследованием, в котором решена важная задача — создана система телемеханики на основе связи стандарта GSM. Основные результаты работы и выводы состоят в следующем:

1. Проведен анализ существующих автоматизированных систем на основе связи стандарта GSM. Все исследованные системы, если их рассматривать как системы телемеханики, не являются комплексными системами телемеханики.

2. Разработана методология для создания систем телемеханики на основе GSM.

3. Создана система телемеханики магистрального трубопровода на основе GSM. Впервые:

— предложена технология передачи телемеханической информации по сети связи стандарта GSM, повышающая быстродействие системы за счет использования разных услуг оператора для разных видов телемеханической информации;

— разработан протокол передачи всех видов телемеханической информации по сети связи стандарта GSM;

— созданы алгоритмы для отправки и получения SMS во время сеанса связи Data call.

4. Создано алгоритмическое и программное обеспечение поддержки связи GSM в системах телемеханики.

5. Проведено комплексное исследование быстродействия и надежности системы телемеханики магистрального трубопровода на основе GSM и предложены способы их повышения:

— создано программное обеспечение для исследования характеристик услуг GSM, которое можно использовать для исследования услуг заданного оператора GSM в произвольной географической точке в различных практических приложениях;

— выполнено экспериментальное исследование быстродействия и надежности услуг оператора GSM, по результатам которого предложены способы повышения быстродействия и надежности системы.

6. Характеристики быстродействия и надежности услуг Data call и SMS являются стабильными, что говорит о пригодности GSM для использования в системах телемеханики и достоверности предложенной технологии.

7. GSM в системах телемеханики магистральных трубопроводов целесообразно использовать в районах, где прокладка кабельных линий связи является невозможной или экономически неэффективной, а также в качестве резервного канала связи.