Универсальный коммуникационный блок для интеграции систем измерения расхода газа

Пальгов В.Е., начальник ОАиПО

Современные предприятия, участвующие в процессах добычи, хранения, транспортировки и распределения природного газа, нуждаются в эффективных системах учета расхода, обеспечивающих необходимую точность измерения и надежность измерительного оборудования в течение всего срока эксплуатации. Повышение точности измерения расхода газа неразрывно связано с определением его компонентного состава и физических свойств, а надежность, в большинстве случаев, обеспечивается своевременной диагностикой состояния измерительной системы и предупреждением отказов в работе оборудования. В контексте развития систем автоматизации увеличение показателей точности и надежности средств измерений напрямую зависит от объемов информационного обмена данными между всеми элементами системы учета расхода газа, включая передачу информации на уровень АСУ ТП предприятия. Обеспечение непрерывности измерения расхода газа и осуществление контроля потоков информационного обмена между измерительным оборудованием выделяют эти процессы в отдельную задачу.

Идея передать управление процессами измерения расхода отдельному устройству или контроллеру не нова. «Основные положения по автоматизации газораспределительных станций» ОАО «Газпром» [1] предписывают передавать данные от измерительно-вычислительных комплексов на мастер-компьютер, а также обеспечивать прием параметров качества газа с мастер-компьютера. Там же определяются основные функциональные требования к мастер-компьютеру:

• прием данных от вычислителей расхода;
• прием данных от приборов определения параметров качества газа;
• ручной ввод с клавиатуры физико-химических параметров газа;
• ведение, архивирование и хранение отчетов;
• выбор оператором основного и дублирующего  вычислителя;
• формирование сигнала рассогласования показаний основного и дублирующего вычислителя;
• суммирование расхода по всем измерительным трубопроводам;
• формирование отчетов по каждому измерительному трубопроводу.

СТО Газпром 5.37-2011 «Обеспечение единства измерений. Единые технические требования на оборудование узлов измерения расхода и количества природного газа, применяемых в ОАО «Газпром» [2] вводит в состав средств обработки результатов измерений новое устройство – БОИ (блок обработки информации), который теперь является составной частью измерительной системы. 

Разрабатывая системы автоматического управления ГРС для конкретных объектов, специалисты завода «Газпроммаш» неоднократно сталкивались с ситуациями, когда реализация информационно-математического обеспечения узла измерения расхода газа приводила к значительным затратам аппаратных и программных ресурсов. Чтобы унифицировать систему сбора данных от вычислителей расхода газа различных производителей, было принято решение разработать универсальное устройство, отвечающее всем требованиям к блоку обработки информации, которое могло бы максимально адаптироваться к любой структуре системы сбора, не требуя изменений аппаратного и программного обеспечения.

Сначала, с учетом требований вышеупомянутого СТО Газпром 5.37-2011, были сформулированы общие требования к блоку и его функциональным возможностям,. Затем, опираясь на «Оптимизированный перечень типовых функций узлов измерений расхода газа ГРС», выпущенный ОАО «Газпром» в 2013 году [3], были установлены требования к интерфейсам и организации информационного обмен. Поиски оптимальной  архитектуры универсального устройства, обеспечивающей выполнение заданных функций,  в конечном итоге привели нас к структуре блока обмена информацией, представленной на рисунке 1.

Рисунок 1. Структура блока обмена информацией

Функционально блок обмена информацией состоит из следующих элементов:

• серверы последовательных портов, выполняющие роль преобразователей последовательного интерфейса RS232/RS485 в интерфейс Ethernet для обмена данными с периферийным оборудованием, к которому относятся вычислители расхода газа, хроматографы, влагомеры и др.;
• сетевой коммутатор для объединения серверов в локальную сеть;
• промышленный контроллер для обработки результатов измерений основных и дополнительных параметров потока и среды с передачей данных на верхний уровень автоматизации;
• устройства ввода-вывода для работы с дискретными и аналоговыми датчиками  (опционально);
• панель оператора для отображения оперативной информации и настройки параметров обмена;
• модем для обмена данными с АСУ ТП и/или ЕИТП (опционально).

Формулирование перечня функций, выполняемых блоком, окончательно определило его рабочее название – блок универсальный коммуникационный БУК.

Проверить жизнеспособность разработанной нами схемы и реализовать ее на практике представилась возможность при проектировании САУ ГРС «Газпроммаш-375» для Верхнетагильской ГРЭС. Функциональные элементы БУК были интегрированы в шкаф контроля и управления АГРС для выполнения задачи сбора данных от четырех измерительных комплексов «Суперфлоу-21В», хроматографа PGC 90.50 и анализатора точки росы «КОНГ-Прима-10». Подробнее интегрированная в САУ ГРС система сбора данных описана в статье участника разработки, инженера-программиста Щербакова М.В. «Решение задач информационного обмена в системах измерения расхода газа».

Считывание информации о конфигурации блока, настройка каналов связи, установка алгоритмов взаимодействия информационных потоков производятся с сенсорной панели. 

На рисунке 3 показан экран настройки информационных каналов.

Рисунок 3. Настройка каналов

Для каждого канала устанавливаются IP адрес и порт коммуникационного сервера, параметры последовательного порта и тип подключаемого оборудования. Выбор подключаемого оборудования осуществляется из списка приборов, поддерживаемых в текущей версии программного обеспечения. Список приборов расширяется и дополняется по мере разработки программ обмена данными с новым оборудованием, доступным для тестирования. Окно выбора оборудования с перечнем доступных для выбора приборов показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Выбор оборудования

После конфигурирования коммуникационных каналов и их активирования, в окне отображения данных появляются вкладки для каждого активированного канала. При этом, в зависимости от заданного оборудования, на вкладке выбранного канала открывается соответствующий интерфейс.

Информационные блоки, отображаемые на вкладках, отвечают требованиям СТО Газпром 5.37-2011. Все данные унифицированы и не зависят от типа вычислителя расхода газа и метода измерения. На вкладке канала «Параметры потока» отображаются мгновенные значения, часовые и суточные параметры (рисунок 5). Если вычислитель может обрабатывать несколько измерительных трубопроводов, то в нижней части окна доступен переключатель ниток.

Рисунок 5. Информационные блоки на вкладке «Параметры потока»

Свойства измерительного трубопровода и физико-химические параметры потока, принимаемые от хроматографа и влагомера, как и параметры, задаваемые вручную, выводятся в дополнительном  окне – «Статистические параметры» (рисунок 6). В этом окне можно разрешить автоматический ввод физико-химических параметров газа в вычислитель расхода. При этом информация по составу и свойствам газа может быть получена различными способами: периодически считываться  из хроматографа, вводиться вручную с пульта БУК или устанавливаться  системой верхнего уровня.

Рисунок 6. Информационные блоки на вкладке «Статистические параметры»

По такому же принципу отображаются данные, получаемые от потокового хроматографа и влагомера. Информационные блоки формируются независимо от типа прибора и включают часовые и суточные усреднения. Кроме того, для случаев нарушения связи с хроматографом или его неисправности, устанавливаются замещающие параметры ручного ввода (рисунок 7).

Рисунок 7. Информационные блоки на вкладке «Потоковый хроматограф»

Отличительной особенностью БУК является возможность получать данные из любого активного канала на внешний компьютер посредством технологии «COM-порт через IP». Для этого на компьютере устанавливается драйвер виртуального COM-порта, указываются сетевые параметры нужного сервера последовательного порта и, с помощью фирменного прикладного программного обеспечения, осуществляется считывание данных. Таким образом можно считывать из устройств архивные данные, журналы вмешательств и журналы аварий. При этом внешний компьютер может быть подключен к БУК удаленно - посредством модема. Такое решение подходит, например, для реализации в сетях единого информационно-технологического пространства (ЕИТП) в системе ОАО «Газпром», где каждое подразделение имеет доступ только к своей части информации, но в рамках единой информационной системы. Важным фактором является отсутствие в данной системе промежуточных аппаратных и программных элементов, которые могли бы повлиять на достоверность информации.

Дальнейшее совершенствование блока обработки информации на основе БУК будет заключаться в расширении списка подключаемого оборудования, в разработке эргономичного интерфейса для программной настройки коммуникационных каналов и связей между ними, а также в поиске новых функциональных возможностей блока информационного обмена для их последующей опционной реализации.

Список литературы

1. Основные положения по автоматизации газораспределительных станций. ОАО «Газпром», 2001 г.
2. СТО Газпром 5.37-2011. Обеспечение единства измерений. Единые технические требования на оборудование узлов измерения расхода и количества природного газа, применяемых в ОАО Газпром.
3. Оптимизированный перечень типовых функций узлов измерений расхода газа. ОАО «Газпром», 2013 г.