автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Разработка и исследование программно-аппаратных комплексов автоматизированной системы промышленного учета метана

485110■

На правах рукописи

ВОЛОШИНОВСКИЙ КИРИЛЛ ИВАНОВИЧ

УДК 621.39, 681.121, 622.412

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫХ КОМПЛЕКСОВ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ПРОМЫШЛЕННОГО УЧЕТА МЕТАНА

Специальность: 05.13.06. Автоматизация и управление технологическими процессами и производством (промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 о НЮН 2011

Москва 2011

4851101

Работа выполнена в ГОУ ВПО Московский государственный горный университет (МГГУ)

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор ПЕВЗНЕР Леонид Давидович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математческих наук, Хайруллин Рустам Зиннатулович

кандидат технических наук Шахмейстер Юрий Львович

Ведущее предприятие: ОАО «Импульс», г. Москва

Защита диссертации состоится « 22» Об 2010-г. ъуу-'ОСкл заседании диссертационного совета Д.212.128.07 в Московском государственном горном университете по адресу 117935, Москва, В-49, Ленинский проспект, 6

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГГУ

Автореферат разослан О^ 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета /\г ^^

доктор технических наук, доцент_^^Ь*-// \ончаренко С.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Проблема промышленного учета метана состоит

в обеспечении точности учета объемного расхода газа, его рабочих параметров

и вычисленного с учетом рабочих параметров, скорректированного объема

метана. Проблема промышленного учета газа решается построением

автоматизированной системы измерения и контроля рабочих параметров

метана, в результате решения задач разработки и модернизации аппаратной

части, внутреннего и внешнего программного обеспечения этой системы.

Применение измерительных комплексов учета метана позволяет оценить

промышленную значимость процессов дегазации угольных пластов и каптации

метана на угольных шахтах, оценить объем добычи метана, приведенный к

стандартным условиям, тем же, что и природный газ-метан с газовых

месторождений. Исследования режимов работы вакуумной установки 6ВКМ-

25/8 для дегазации угольного пласта, проведенные в Московском горном

институте, подтвердили дебит скважины метана приблизительно З5м3/мин на

одну скважину из гидрорасчлененного угольного пласта.

В последнее время появилась возможность проводить более точный учет

метана с использованием счетчиков газа, рассчитанных на расходы

от 10 до 10000 м3/час. Проектирование узлов учета газа выполняется в

комплексе с газорегуляторной установкой и может проводиться для типовых

узлов, типовых решений и массовых применений на объектах добычи,

транспортировки и потребления газа-метана.

Повышение надежности работы аппаратной части автоматизированной

системы измерения и контроля рабочих параметров газа связано с корректной

разработкой внутреннего программного обеспечения системы с учетом

особенностей работы процессоров, совершенствованием их внутренней логики

и ТТЛ-логики их окружения, с повышением уровня документированное™

используемых протоколов и аппаратных средств. Повышение надежности

работы внешнего программного обеспечения связано с их эксплуатацией на

удаленных объектах, где наладка или перезапуск осложнены или связаны с

большими временными затратами.

Следовательно, разработка методов исследования, модернизации, создания и адаптации аппаратных средств, внутреннего и внешнего программного обеспечения автоматизированной системы учета метана является актуальной.

Цель работы. Разработать программно-аппаратный комплекс учета природного газа-метана для автоматизированной системы объектов промышленного газопотребления.

Идея работы состоит в том, чтобы использовать современные информационные технологии для решения задачи учета природного газа-метана в разработке методов построения узла учета газа в виде программно-аппаратного комплекса, на основе методов: кодового повышения достоверности; запросных схем; энтропийного исследования недокументированных протоколов; активной фильтрации и электронных моделей.

Задачи диссертационной работы.

1. Разработать и модернизировать внутреннее и внешнее программное обеспечение существующих промышленных измерительных комплексов. Разработать методы адаптации приборов и программного обеспечения.

2. Разработать программно-аппаратный комплекс учета расхода газа-метана с учетом технических, эргономических и конструкторских критериев и выполнить постановку задачи нового прибора с учетом новых требований.

3. Разработать методы создания электронных приборов учета газа-метана, их программного и аппаратного обеспечения, повышения их надежности.

4. Адаптировать разработанные методы создания приборов и систем учета газа-метана, выделяемого в процессе дегазации угольных пластов.

5. Провести экспериментальное исследование разработанных аппаратно-программных средств промышленного учета газа; предложить аппаратно-программное решение нового прибора учета газа, пригодного для коммерческого и промышленного учета.

Методы, разрабатываемые и применяемые в диссертации:

- методы модернизации приборов и систем промышленного учета рассматриваются на примере модернизации измерительного комплекса 8еус-91 (совместного производства БсЫитЬе^е цтЬЬ, Франция-Германия) с недокументированным протоколом состоят в исследовании данных, передаваемых по последовательным каналам связи и выявлении протокола информационного обмена, для него проводится снятие осциллограмм линий связи и информационных дампов линий приемника и передатчика последовательного порта, а также последующее декодирование протокола, включающее в себя аналогичные методы исследований, такие же как и для любого другого прибора за исключением недокументированной дешифрации, результаты таких исследований могут быть использовании при исследовании других электронных приборов;

- метод запросных схем формализации и систематизации баз данных учета метана состоит в том, что вместо реляционных связей, там где их введение не возможно, вводятся направления движения потоков данных и векторы применения соответствующих фильтров, запросов, процедур и методов, что позволяет представить алгоритм формирования целевых таблиц и запросов в наглядном виде;

- энтропийный метод исследования недокументированных протоколов и определения знакомест кодов циклического избыточного кодирования заключается в построении диаграмм байтов информационных пакетов и сравнения их хаотичного или закономерного появления, энтропия и хаотичность кодов циклического избыточного кодирования оказывается выше, чем у непрерывно изменяющихся и дискретно измеряемых параметров, пусть даже в побайтном разложении на шестнадцатеричные или иные коды;

- программные методы борьбы с пропуском инструкций процессором контроллера, обусловленные насыщением логики ТТЛ ЦП контроллера заключаются в применении алгоритма который реагирует на пропуск инструкций ЦП, но непосредственно не выявляет её, т.е. состоит в построении алгоритмов нечувствительных к таким пропускам, а также в применении

дуплексных линий связи с возможностью перезагрузки алгоритма и перезапуска контроллера по запросу, если ошибка выявлена терминалом;

- методы повышения качества передачи данных по каналам связи и длинными кабельным линиям заключаются в применении емкостных фильтров, устройств конвертирования с возможностью более качественной передачи данных на более высокой скорости и/или применением промышленных интерфейсов передачи данных, введении кодов циклического избыточного кодирования с целью повышения достоверности передачи коммерческой информации об учета природного метана;

- определение плотности газа косвенным методом с учетом ввода коэффициента сжимаемости заключается в анализе изменения плотности газа на основании полученных архивов измеренного расхода газа и его рабочих параметров с последующим выявлением значимости измерения и учета плотности газа в общем балансе стандартного газопотребления;

- методы наглядного анализа данных промышленного учета метана в виде диаграмм для определения сезонных и промышленных режимов работы объектов и агрегатов, выявления нештатных ситуаций и экономии заключается в детектировании резких выбросов изменения расхода газа и его рабочих параметров, определения их закономерного снижения по сравнению с прошлыми годами работы, а также с летним, зимним и иными интервалами сезонного газопотребления;

- методы программно-аппаратной разработки электронных приборов учета метана заключаются в предложении такой структуры измерительного комплекса при котором первичный преобразователь с подключенными к нему датчиками может выступать в роли автономного корректора для системы технического учета, организации такой конструкции электронного корректора при которой сезонные колебания температуры не требуют применения сезонной пайки, с оснащение главной платы прибора индикатором неисправности, при оснащении прибора полнофункциональным LCD, кнопкой перезапуска программы с полной инициализацией рабочего цикла в целях защиты прибора от частичного зависания, в частности связанного с некорректным заземлением или отсутствием необходимой катодной защиты.

4

Основные научные положения, выносимые на защиту.

1. Предложены новые методы программной и аппаратной разработки и модернизации приборов и комплексов промышленного учета газа-метана позволяют повысить качество передачи данных по длинным линиям связи, увеличить срок службы программно-аппаратных комплексов, повысить надежность программного обеспечения этих систем, улучшить эргономику приборов.

2. Разработаны методы алгоритмизации и формализации нереляционных баз данных на основе метода запросных схем и энтропийного метода детектирования знакомест кодов циклического избыточного кодирования для программно-аппаратных комплексов промышленного учета газа-метана позволили сделать протоколы передачи данных модернизируемых приборов документированными, а описание протоколов новых приборов в виде базы данных пополняемыми и корректируемыми.

3. Использование разработанных средств учета газа позволяет на основе статистических данных рабочих параметров газопотребеления реальными объектами проводить анализ: режимов газопотребеления, нештатных ситуаций, экономической эффективности оборудования.

4. Разработана структура нового двухпроцессорного корректора объемного расхода газа-метана, обеспечивающая возможность коммерческого и технического учета с большим количеством датчиков и первичных преобразователей для программно-аппаратной системы промышленного учета метана.

5. Предложены методы обобщенного описания протоколов обмена программ для ЭВМ ПРИЗ-\УГЫ, предназначенные для выпускаемого серийно электронного корректора микропроцессорного вычислителя ПРИЗ, с адаптацией и модернизацией программного обеспечения для других известных приборов учета метана.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- корректностью постановки теоретических и практических задач;

- сходимостью экспериментальных и теоретических результатов;

- актами внедрения полученных результатов исследований и разработок;

- авторскими свидетельствами на программные и аппаратные решения промышленного учета газа-метана.

Научная новизна состоит в предложенных методах разработки и исследования: энтропийный метод определения знакомест кодов циклического кодирования, метод запросных схем, программный метод борьбы с пропуском инструкций процессором, метод повышения качества передачи данных по линиям связи, метод модернизации и разработки приборов и систем коммерческого и технического учета метана.

Практическая ценность работы, заключается в том, что полученные научные результаты позволяют:

1) создавать современные микропроцессорные системы промышленного учета газа-метана с внутренним и внешним программным обеспечением и совершенствовать существующие измерительные комплексы учета газа-метана;

2) проводить систематизацию нереляционных баз данных с большим количеством таблиц и запросов, обеспечить преемственность процессов разработки внутреннего и внешнего программного обеспечения и повысить уровень документированности автоматизированной системы учета газа-метана;

3) повысить надежность разрабатываемых приборов учета, устранить недостатки известных программно-аппаратных комплексов учета газа-метана и увеличить ресурс работы приборов.

Реализация результатов работы:

В основу работы лег десятилетний опыт работы в сфере проектирования,

внедрения, монтажа и наладки систем точного учета природного газа-метана и

сопутствующего оборудования, разработки программного обеспечения для

измерительных комплексов, микропроцессорных систем и средств для

разработки программного обеспечения для персональных ЭВМ. За эти годы

был выполнен и реализован ряд проектов для объектов промышленного

газопотребления, в состав которых входят различные типы измерительных

6

устройств с различными первичными преобразователями расхода и различными микропроцессорными вычислителями-архиваторами (электронными корректорами объемного расхода газа-метана).

Разработанные программы для ЭВМ ПРИЗ-ЖЫ серийно выпускаемого электронного корректора микропроцессорного вычислителя ПРИЗ, с адаптацией и модернизацией программного обеспечения для других известных приборов учета метана внедрены на промышленных и коммунальных объектах Москвы и Московской области.

По теме диссертации получены четыре авторских свидетельства на аппаратные средства и программные продукты.

Получены акты внедрения программ для ЭВМ, подтвержденных авторскими свидетельствами в газовом хозяйстве более десяти промышленных предприятий, в том числе:

- ОАО "СОЛСТЕК" (Солнечногорский стекольный завод);

- ЗАО "Завод ВМС" (Завод вторичных металлов и сплавов);

- ОАО "Загорское монтажное управление";

- ОАО "Сергиево-Посадский хлебокомбинат";

- ОАО «Главстой МОСМЕК»;

- котельная п. «Маслово» ФГУП «Рублево-Успенский ЛОК»;

- котельная п. «Архангельское» ФГУП «Рублево-Успенский ЛОК»;

- котельная п. «Петрово-Дальнее» ФГУП «Рублево-Успенский ЛОК»;

- «Домодедовский завод Кондиционер», ОАО «Докон»;

- объекты, курируемые ОАО «Импульс», в т.ч. котельные находящихся на обслуживании МУП «Тепло Коломны» (Коломенские теплосети);

курируемые объекты, находящиеся в ведении ООО «Стройперспектива».

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены на

научных симпозиумах "Неделя горняка" 2009 и 2010 гг, семинарах кафедры

«Автоматики и управления в технических системах» в Московском

государственном горном университете. Результаты работы использованы при

проектировании измерительных комплексов и узлов учета, реализованных на

7

предприятиях Московской области, на которых внедрены полученные авторские свидетельства. Научные результаты работы использованы в учебном процессе Московского государственного горного университета в дисциплине «Элементы и устройства автоматики», а также в тематическом курсе «Счетчики-расходомеры газа» Люберецкого учебного комбината ОАО "Мособлгаз".

Публикации: По результатам выполненных исследований опубликована 21 работа, в том числе 16 статей в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнаукуки России, 4 авторских свидетельства на программы для ЭВМ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения, библиографического списка из 120 наименований и шести приложений, содержит 5 таблиц, 77 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение посвящено характеристике работы, обоснованию актуальности темы, постановке цели и задач исследования.

В первой главе рассматривается проблема учета газа-метана на промышленных объектах, шахтах и в котельных, приводится обзор, эволюция развития, классификация средств учета газа, проводится сравнительный анализ известных аппаратно-программных средств учета газа, проводится сравнительный анализ внешнего программного обеспечения. Анализ существующих способов и средств показал, что в эксплуатации на территории России находится значительное число различных приборов и аппаратов промышленного учета природного газа отечественного и импортного производства. Однако надежность и ресурс работы отечественных приборов в части первичных преобразователей и подключаемых к ним электронных приборов ниже импортных.

Объем газа, приведенный к стандартным условиям, проходящий через измерительный участок трубопровода, определяется соотношением

= (1) Рстк Рстг

где V - объем газа в рабочих условиях, м3; р и рс - давление газа при стандартных и рабочих условиях, МПа; Тк и Т - термодинамичекая температура газа при стандартных и рабочих условиях, К; К - коэффициент сжимаемости газа; Z и Zc - фактор сжатия газа при рабочих и стандартных условиях.

Измерительные участки газораспределительных станций в последнее время стали оснащать плотномерами и приборами лазерной спектрометрии для определения компонентного состава газа, плотность которого определяется соотношением:

p = pH/z = pcpTc/pcTK. (2)

В том случае, если измерение плотности газа не проводится, принимается текущее значение для данной газотранспортной магистрали, месторождения газа или значение, измеренное на газораспределительной станции.

Выявлено, что функциональная проработка прибора должна обеспечивать компромисс между количеством вводимых и выводимых параметров и возможностью их общего наглядного вывода с целью применения в техническом учете. Электронные корректоры, организованные по модульному принципу, должны предусматривать возможность расширения для подключения существенно большего количества датчиков по сравнению с приборами для коммерческого учета. Расширение области применения приборов учета метана для применения в целях технического учета может рассматриваться в качестве модернизации приборов учета для коммерческого учета метана. Анализ данных с большого количества приборов и датчиков, информация с которых не может быть систематизирована по реляционному принципу, требует описания сложных информационных структур данных и недокументированных приборов в общем виде.

Определено, что при модернизации приборов учета газа с целью обеспечения надежности передачи данных по линиям связи должны быть предложены способы и методы выявления знакомест кодов контрольного

кодирования для протоколов и приборов учета метана. С каждым годом ужесточаются требования к точности учета, меняются нормы и правила учета, что приводит к необходимости разработки новых приборов и аппаратно-программных средств учета метана и модернизации старых с поддержкой современных информационных систем и использованием современных средств и методов разработки. Способы и методы разработки, формализации сложных систем и структур данных могут применяться в различных областях науки и техники, а также в областях, смежных с промышленным учетом метана в SCADA системах.

Во второй главе рассматриваются:

- автоматизированные системы учета газа-метана на шахтах и их специфика;

- учет газа-метана на шахтах в процессе дегазации гидрорасчлененных угольных пластов;

- задача повышения качества передачи данных по каналам связи и длинным кабельным линиям применительно к автоматизированным системам учета газа-метана;

- метод формализации и систематизации баз данных с большим количеством таблиц и запросов;

- задача детектирования байтов циклического избыточного кодирования, для решения которой автором предлагается энтропийный метод;

- преемственность разработки программно-аппаратных систем в процессах модернизации и разработки программного и аппаратного обеспечения.

Погрешность выполнения измерений определяется в соответствии с ГОСТ 8.395:

80У = у ~ =^100, (3)

У У

где у - приведенная погрешность %.

Метод запросных схем для формализации и систематизации баз данных

с большим количеством таблиц и запросов состоит в том, что вместо

10

реляционных связей вводятся направления движения потоков данных и векторы применения соответствующих фильтров, процедур и методов, что позволяет представить алгоритм формирования целевых таблиц и запросов в наглядном виде. Запросная схема для базы данных МПВ ПРИЗ ЭВМ приводится на рис. 1.

И)_58

__I

|Х| ро |-

® Месяц ® Число

® Дата ® Год

( "

| © 100_Дата | ГД 100_час |

| © ™ | й 100_де* |

| 0 ] О0_сут | Г^] | СЮ_ншс |

Ч )

X М_сут2_(]е1

X

® Дата

РО ОиюШр

Р0_сут2 ^ | Р0_сут2_в<Д|Д

17] сз_с/т;_&па ^

[41 ""-^»-"""Щв^110-^»"!!!

Рис. 1. Запросная схема формирования в ЭВМ пополняемого суточного архива для микропроцессорного вычислителя «ПРИЗ»

В целях увеличения наглядности для таблиц, запросов и полей используются стандартные наборы пиктограмм для той среды, в которой разрабатывается база данных.

Выявлено, что проверку валидности информационных пакетов со сложной структурой удобно формализовать в виде отдельной процедуры, например, процедуры проверки кода циклического избыточного кодирования.

Главной задачей тестирования программного обеспечения, в частности программного обеспечения для коммерческого и технического учета газа-метана, является выявление неявных ошибок, детектирование которых не предусмотрено общими и входящими в комплект поставки средствами отладки программного обеспечения. К таким неявным ошибкам следует отнести пропуск инструкций процессором в процессе выполнения внутреннего

программного обеспечения, реализующего алгоритмы управления и архивирования, что недопустимо для приборов коммерческого учета газа.

Обеспечение преемственности процессов разработки с использованием средств дизассемблирования требует рассмотрения задачи декомпиляции. В процессе рассмотрения установлено, что код программы может быть проанализирован и инструкция, закрывающая тем или иным образом регистр 1Р для чтения, может быть выявлена, поэтому на вопрос о создании недекомпилируемых программных продуктов следует ответить отрицательно. В целях повышения надежности защиты программного обеспечения могут применяться аппаратные схемы защиты, которые могут быть отключены, при этом защита программного обеспечения должна в обязательном порядке иметь программную часть. Таким образом, надежная защита программного обеспечения от несанкционированного копирования должна в обязательном порядке включать программную часть.

В третьей главе рассматривается разработка программного комплекса «Приз-БОБ» с обобщенным описанием протокола передачи данных по линии связи между электронным корректором учета метана и компьютером.

Рашцрюзз» ■ ттт н тж ПРШ тя

аЯиЁ

ПРИ |ч:

;» ,т (и, ЛГЧ

Режи м : код ОООО

Режим » коя 0000

Рис. 2. Главное окно программы для ЭВМ ПРИЗ-\¥М для электронного корректора учета метана ПРИЗ со счетчиками СГ и РГК

Для разработанной программы для ЭВМ рассматривается разработка базы данных МПВ ПРИЗ ЭВМ с большим количеством таблиц и запросов, формализуемых с помощью предлагаемого метода запросных схем.

С учетом анализа реляционной базы данных МПВ ПРИЗ ЭВМ проводится разработка программы для ЭВМ "ПРИЗ-\У1М", защищенной авторским свидетельством. Особенность разработки состоит в том, что в целях удовлетворения требований к измерительным комплексам со стороны газопоставляющих организаций и при внесении изменений в протокол передачи данных поставляемого прибора становится возможным обеспечить работоспособность программного обеспечения в необходимые сроки разработки. Кроме того, разработка проведена для серийно выпускаемых приборов учета электронных корректоров расхода газа, приведенного к стандартным условиям.

На базе выполненной разработки проведена модернизация электронного корректора 8ЕУС-91. Выполнена модернизация программной и аппаратной части корректора с интерфейсом, сходным с приведенным на рис. 2. Кроме того, разработан набор утилит для адаптации программного обеспечения электронных корректоров объемного расхода газа ПРИЗ, ЗЕУС-Б, СОИШ-PTZ, ЕК-88, ЕК-260 и других, входящих в состав измерительных комплексов электронных приборов учета газа.

С целью обеспечения удаленного пробуждения прибора цепи клавиатуры выводятся через оптрон, выступающий одновременно в качестве ключа и элемента развязки, входы которого инициируются при поступлении запросов по линии передатчика компьютера.

В процессе модернизации исследуется протокол передачи данных оптического порта с помощью промежуточного терминала, включаемого между персональным компьютером и электронным корректором объема газа. Выявляются состояния шин запроса и передачи и устанавливаются стандартные форматы запросов и стандартные форматы ответов. Полученные в процессе исследования дампы подвергаются корреляционному и энтропийному анализу, а затем используются в качестве исходных данных для выявле-

13

ния знакомест байтов кодов циклического избыточного кодирования. В процессе анализа полученных дампов выявляются последовательности символов разделителей, для которых нормируются задержки, выявляемые с помощью осциллографического метода, как задержки между последовательностями пакетов, наблюдаемых на экране осциллографа, длительность которых может быть измерена по горизонтальной шкале осциллографа при соответствующей настройке временного масштаба.

В четвертой главе рассматривается экспериментальное исследование и результаты промышленного внедрения автоматизированной системы учета объемного расхода газа, приведенного к стандартным условиям, на основе применения различных электронных корректоров, таких как МПВ ПРИЗ, ЕК-260, СПГ-761, 8ЕУС-91 и БЕУС-В.

100000 Суточный расход, мЗ/сут за 2003 год (суммарный по корректорам №58 и №59)

90000 80000 ■ИИ

70000 60000 ш

40000

20000

10000 .....

оооооооооооо О О О О о о о о о о о о I 1 1 1 1 1 о о о о

Рис. 3. График изменения динамики потребления газа на стекольном заводе ОАО «Солстек»

Рассматриваются общие и экономические результаты внедрения узлов учета газа, состоящие в том, что получены графики годового суточного расхода газа и изменения его параметров, по которым можно отследить экономический эффект при потреблении газа, который составляет в среднем до 15% (рис.3), связанный с внедрением программно-аппаратных комплексов промышленного учета газа-метана, при этом резкие выбросы расхода соответ-

ствуют нештатным ситуациям, количество которых в процессе мониторинга, проводимого с помощью электронных корректоров учета газа, снижается.

Приводятся результаты внедрения различных программных и аппаратных комплексов на различных промышленных и коммунально-бытовых объектах Московской области.

Практика внедрения разработанных и известных систем учета газа показывает, что приборы автоматизированной системы коммерческого и технического учета газа-метана должны обладать следующими атрибутами:

- комбинированным электрическим питанием от аккумуляторных батарей и от бытовых и промышленных электрических сетей;

- внешние электрические цепи и максимально возможное количество внутренних цепей должны подвергаться гальванической развязке с целью искрозащиты, взрывозащиты и повышения надежности работы прибора в целом, в том числе для защиты от насыщения цепей микросхем внутренней ТТЛ-логики, что увеличивает ресурс эксплуатации и срок до первого ремонта при оснащении измерительных комплексов промышленного и технического учета газа малогабаритными шкафами сотовой связи;

- измерительные цепи прибора должны быть развязаны гальванически с их источниками питания с целью повышения точности измерительной системы в целом;

известное программное обеспечение должно подвергаться совершенствованию с целью повышения эргономики эксплуатации и обслуживания программного обеспечения и измерительной системы в целом;

- первичный микропроцессорный преобразователь должен быть конструктивно выполнен в виде отдельного прибора, предусматривающего подключение датчиков для одного измерительного участка технического учета газа-метана;

- выполнение первичного микропроцессорного преобразователя в виде отдельного устройства позволяет вынести электронной корректор учета газа-метана на рабочее место оператора учета газа промышленного объекта или

объекта добычи, транспортировки газа;

15

- так как известные приборы учета газа-метана не предусматривают цепей и кнопки перезагрузки прибора, в целях повышения надежности работы прибора и во избежание преждевременного отказа необходимо предусмотреть систему перезагрузки перебора с последовательной в порядке значимости программной перекоммутацией входящих в электронный корректор микропроцессорных схем и схем сопряжения;

- разработка первичного преобразователя как отдельного электронного устройства с одним общим блоком питания проводит питание датчиков от единого блока питания с учетом организации универсальной системы подключения токовых, потенциальных и импульсных датчиков и универсальной системы удаленной программной настройки с удаленного электронного корректора, предназначенного как для технического, так и для коммерческого учета;

с целью повышения метрологической точности приборы коммерческого и технического учета должны предусматривать подключение счетчиков с высокочастотными импульсными выходами, а следовательно, оснащаться преобразователями частотного сигнала в сигнал напряжения, пропорциональный расходу или измеряемому рабочему параметру, для тензометрических датчиков давления и температуры.

В пятой главе рассматривается разработка нового электронного

корректора учета метана. В качестве прототипа разрабатываемого нового

электронного корректора выбран электронный корректор микропроцессорный

вычислитель ПРИЗ, включенный в Государственный реестр средств измерений

отечественного производства (ОАО "Импульс"), который является

единственным прибором, представленным на рынке средств коммерческого

учета газа, снабженным удаленным первичным преобразователем, обмен

информацией с которым организован через последовательный интерфейс.

Питание датчиков и первичного преобразователя микропроцессорного

вычислителя ПРИЗ осуществляется с главного прибора через преобразователь,

что также должно быть характерно для нового прибора, который имеет как

минимум одно общее решение, пригодное для использования как в

16

коммерческом, так и в техническом учете, и не только для учета газа, но и для мониторинга различных параметров, которые необходимо отслеживать на промышленном производстве или в процессе добычи или транспортировки газа-метана.

Прибор коммерческого учета предлагается выполнить в виде отдельного первичного преобразователя (рис. 4) без обеспечения жидкокристаллической индикации. Основной прибор, т.е. прибор для технического и коммерческого учета, должен предусматривать возможность подключения большого количества таких первичных преобразователей.

Прибор для технического учета должен иметь возможность опционального расширения или сужения, чтобы была возможность использовать его в качестве системы коммерческого учета, если это необходимо, или использовать его как автономный корректор объема газа без первичного микропроцессорного преобразователя.

Для решения задачи учета метана предполагается использование приборов в четырех вариантах: макетный образец с расширенными возможностями, в том числе с расширенными возможностями наладки; прибор малой серии в миникорпусе, который может использоваться в качестве удаленного преобразователя для технического учета или автономного

Рис. 4. Общий вид преобразователя сигналов для технического учета газа с модемом

корректора малой серии; удаленный первичный преобразователь на базе корректора в миниисполнении; центральный прибор учета, который может использоваться совместно с другими удаленными миникорректорами или удаленными первичными преобразователям. Важно, что разработка электронного корректора начинается с макетного образца, наиболее широко проработанного функционально, на уровне компоновки и принципиальной схемы, используемых в качестве базового решения. Первичный микропроцессорный преобразователь и прибор в миникомпоновке создается на базе макетного образца путем усечения базового решения прибора технического учета. Однако главной — является именно макетная компоновка образца малой серии как прототипа системы для технического учета с возможностью подключения большого количества коммерческих измерительных систем, первичных преобразователей. Пример изменения параметров метана в результате учета с помощью разрабатываемого прибора приводится на рис. 5.

Для решения задачи преобразования частоты выходного сигнала датчиков производится преобразование измеренных на первом этапе параметров к частотному виду с введением амплитудной помехи, а затем выполняется обратное преобразование.

Рис. 5. Пример изменения параметров газа на объекте газопотребления Амплитудная помеха вводится на случай, если возникает искажение сигнала между преобразователем частотного сигнала и аналогоцифровым

преобразователем, ведь необходимо именно обратимое преобразование, позволяющее вернуться к исходному виду кривой, которая будет приближенной с учетом дискретности аналогоцифрового преобразователя. Кроме того, такой подход позволяет чисто теоретически рассматривать процессы, происходящие аппаратно:

Тш =sin(A-T-twlCKp) = A,sin(T-tAHCKp), (4)

где А — амплитудная помеха между частотным преобразователем и аналогоцифровым преобразователем.

Для диагностики неисправностей, связанных с выходом из строя жидкокристаллического индикатора, предусматривается светодиодный индикатор, который позволяет получить информацию о текущих нештатных и аварийных ситуациях, что позволяет сократить время принятия решения в случае возникновения нештатных и аварийных ситуаций на конкретных объектах промышленного газопотребления, добычи и транспортировки газа.

С целью уточнения рабочих параметров газа система технического учета газа должна оснащаться лазерным спектрометром-датчиком компонентного состава и датчиком влажности газа-метана.

В приложении приводятся:

- исходный текст расчета байтов кода циклического избыточного кодирования на языке программирования VBA;

- выдержки из выполненных в процессе работы над диссертацией утвержденных и принятых к исполнению рабочих проектов узлов учета газа с газорегуляторными установками;

- побайтные графики информационных сообщений в обычном и логарифмическом масштабе для определения знакомест кодов циклического избыточного кодирования энтропийным методом;

- исходные тексты модулей внутреннего и внешнего программного обеспечения для промышленного контроллера I7188XB и электронного корректора SEVC-91.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации решена актуальная научная и практическая задача разработки новых и адаптации существующих аппаратно-программных комплексов автоматизированных систем промышленного учета газа, которая позволяет определить значимость добычи газа на угольных месторождениях, сопоставить потребление и добычу газа на газовых месторождениях, что имеет важное значение для газовой и угольной отраслей промышленности.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации сводятся к следующему.

1. Разработан метод, позволяющий создавать новые и модернизировать существующие программно-аппаратные комплексы учета газа-метана.

2. Для программно-аппаратных комплексов промышленного учета газа-метана разработан метод формализации нереляционных баз данных о потреблении газа, который позволил сделать протоколы передачи данных модернизируемых приборов документированными, а описание протоколов в виде базы данных пополняемыми и корректируемыми.

3. Разработанные и модернизированные программно-аппаратные комплексы учета метана позволили получить графики рабочих параметров газа-метана и годового суточного расхода с накоплением архивов нештатных и аварийных ситуаций. Совмещение таких графиков с графиками выхода готовой продукции позволяет оценить эффективность потребления газа на промышленном предприятии и получить экономический эффект от внедрения системы учета газа-метана.

4. Разработан модуль опроса и обработки архивных данных микропроцессорных вычислителей ПРИЗ (ПРИЗ-ЖЫ), защищенный авторским свидетельством, разработана группа утилит для обработки данных, получаемых с выхода микропроцессорных вычислителей электронных корректоров объемного расхода газа ПРИЗ, ЗЕУС-Б, СОЬШБ-РТг, ЕК-88, ЕК-260, СПГ, УВП и других входящих в состав измерительных комплексов, разработана программа опроса

микропроцессорных вычислителей, входящих в состав расходомеров-счетчиков газа ПРИЗ (ПРИЗ-ДОС), выполнена модернизация измерительного комплекса учета газа на базе электронного корректора 5ЕУС-91 и контроллера ЮР-БАБ 17188ХВ, предложено решение для нового прибора промышленного учета метана для серийного или малосерийного производства с учетом анализа достоинств и недостатков известных и применяемых приборов и средств учета метана.

5. Разработанное и модернизированное программное обеспечение внедрено на промышленных предприятиях и коммунальных объектах Москвы и Московской области. Выполнены и приняты к исполнению рабочие проекты узлов учета газа совместно с газораспределительными и газорегуляторными установками. Установлено, что существует как минимум шесть типовых проектных решений, для которых выполнено проектирование для восьми промышленных и коммунальных объектов.

6. Учет объема каптируемого метана из угольных пластов, подвергающихся дегазации, следует проводить с использованием измерительных комплексов приборов для коммерческого или технического учета, которые позволяют привести объем добычи газа к стандартным условиям, а следовательно, в состав таких комплексов должны входить как минимум пять приборов — электронный корректор учета газа, датчик давления, датчик температуры, счетчик газа и первичный микропроцессорный преобразователь.

СПИСОК НАУЧНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В перечне, рекомендованном ВАК Минобрнауки России:

1. Волошиновский К.И. Модернизация электронного корректора объема газа 8ЕУС-91 и исследование протокола обмена для подключения ПЭВМ // Вестник МГТУ. — 2009. — №2. — С. 77-82.

2. Волошиновский К.И. Разработка программного продукта ПРИЗ-ЖЫ для измерительного комплекса учета газа ПРИЗ с обобщенным описанием протокола передачи данных // Горный информационно-аналитический бюллетень — 2009. — №6 — С. 88.

3. Волошиновский К.И. Программно-аппаратная система учета метана ПРИЗ на базе программного продукта ПРИЗ-WIN и измерительного комплекса ПРИЗ // Датчики и системы. Журнал — 2010 —№4, С. 37-39.

4. Волошиновский К.И. Измерительный комплекс учета газа на базе электронного корректора SEVC-91 и контроллера ICP-DAS I7188XB // Горный информационно-аналитический бюллетень. Отдельный выпуск 1,—2010, —С. 283-289.

5. Волошиновский К.И. Электронный корректор учета газа с первичным преобразователем и измерительный комплекс учета метана // Горный информационно-аналитический бюллетень — 2010. — №8 — С. 99.

6. Волошиновский К.И. «Разработка и модернизация встраиваемых промышленных систем учета объемного расхода метана и его рабочих параметров. Исследование протоколов обмена модернизируемых приборов: детектирование байтов CRC кода энтропийным методом, обобщенное описание протоколов обмена и систематизация баз данных методом запросных схем. Применение сводных таблиц совместно с методом сопоставления и запросных схем» // Горный информационно-аналитический бюллетень — 2010 —№10 —стр. 77.

7. Волошиновский К.И. Счетчики и первичные преобразователи объемного расхода метана // Горный информационно-аналитический бюллетень — 2011, —№3 —С. 303-306.

8. Волошиновский К.И. Датчики давления природного метана, входящие в государственный реестр средств измерений, применяемые в техническом и коммерческом учете природного газа-метана // Горный информационно-аналитический бюллетень — 2011. — №03 — С. 399.

9. Волошиновский К.И. Датчики компонентного состава для промышленного учета природного газа-метана // Горный информационно-аналитический бюллетень — 2011. — №03 — С. 23 0.

10. Волошиновский К.И. Датчики температуры, используемые в промышленном учете природного газа-метана, поставляемого по газопроводам или каптируемого из угольных шахт // Горный информационно-аналитический бюллетень — 2011. — №03 — С. 257.

11.Волошиновский К.И. Датчики плотности и влажности для промышленного учета природного газа-метана // Горный информационно-аналитический бюллетень — 2011. — №03 — С. 337.

12.Волошиновский К.И. Измерительные комплексы учета объемного расхода и рабочих параметров метана и природного газа метана // Горный информационно-аналитический бюллетень — 2011. — №03 — С. 13.

И.Волошиновский К.И. Средства связи, используемые в промышленном учете природного метана // Горный информационно-аналитический бюллетень — 2011. — №03 — С. 399.

И.Волошиновский К.И. Внешнее программное обеспечение (ПО), поставляемое в комплекте с приборами учета природного метана и разрабатываемое ПО промышленного учета газа-метана // Горный информационно-аналитический бюллетень — 2011. — №03 — С.287.

15.Волошиновский К.И. Современные и стандартные датчики перепада давления, применяемые в промышленном учете природного газа-метана // Горный информационно-аналитический бюллетень — 2011 — №03 — С.61.

16.Волошиновский К.И. Электронные корректоры учета объемного расхода и рабочих параметров метана // Горный информационно-аналитический бюллетень —2011. —№03 —С.181.

Авторские свидетельства:

17.Волошиновский К.И. Модуль опроса и обработки архивных данных микропроцессорных вычислителей ПРИЗ (ПРИЗ-\УШ) — Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005611489 — 2005.

18.Волошиновский К.И. Группа утилит для обработки данных, получаемых с выхода микропроцессорных вычислителей электронных корректоров объемного расхода газа ПРИЗ, 8ЕУС-Э, СОКШ-РТг, ЕК-88, ЕК-260, СПГ, УВП и других входящих в состав измерительных комплексов — Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005610486 — 2005.

19.Волошиновский К.И. Программа опроса микропроцессорных вычислителей, входящих в состав расходомеров-счетчиков газа ПРИЗ (ПРИЗ-ДОС) — Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005610483 — 2005.

20.Волошиновский К.И. Программный комплекс 8ЕУС91/7188 — Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2010613241—2010.

В других изданиях:

21.Волошиновский К.И. Адаптация измерительного комплекса ПРИЗ для учета потребления газа, с помощью программно-аппаратных средств передачи и обработки информации // Объединенный научный журнал — 2005 —№10 —С. 61-65.

Подписано в печать 25.05.2011. Объем 1 п.л. Тираж 100 экз,

Формат 60x90/16 Заказ № 883

ОИУП МГГУ, г. Москва, Ленинский пр., 6