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



0050П'30 1 ^ 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

1 [Ш ш

МОСКВА 2012

005011381

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Московский государственный горный университет (МГТУ)

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор ПЕВЗНЕР Леонид Давидович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, КУБРИН Сергей Сергеевич

кандидат технических наук ШАХМЕЙСТЕР Юрий Львович

Ведущее предприятие: Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт по автоматизации в угольной промышленности «Гипроуглеавтоматизация», г. Москва

Защита диссертации состоится 2012 г. в 43-00па. заседании

диссертационного совета Д.212.128.07 в Московском государственном горном университете по адресу 119991, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 6

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ

Автореферат разослан (рРгЪ^Л^ 2012

г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Гончаренко С.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Проблема промышленного учета метана состоит в обеспечении для промышленных объектов требуемой точности измерения объемного расхода газа с учетом его рабочих параметров.

Проблема промышленного учета газа решается построением автоматизированной системы измерения и контроля рабочих параметров метана.

В последнее время появилась возможность проводить более точный учет метана с использованием счетчиков газа, рассчитанных на расходы от 10 до 10000 м3/ч. 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 модернизации, создания и адаптации аппаратных средств, внутреннего и внешнего программного обеспечения автоматизированной системы учета метана является актуальной.

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

Идея работы состоит в том, чтобы для построения программно-аппаратного комплекса системы автоматизированного учета природного газа использовать методы кодового повышения достоверности, запросных схем, энтропийного исследования недокументированных протоколов и активной фильтрации.

Задачи диссертационной работы.

1. Разработать метод модернизации внутреннего и внешнего программного обеспечения существующих промышленных измерительных комплексов, разработать методы адаптации программного обеспечения для приборов коммерческого и технического учета газа.

2. Разработать программно-аппаратный комплекс системы автоматизированного учета расхода газа-метана с учетом технических, эргономических и конструкторских критериев.

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

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

5. Провести экспериментальные исследования разработанных аппаратно-программных средств промышленного учета газа.

6. Предложить аппаратно-программное решение нового прибора учета газа, пригодного для коммерческого и промышленного учета.

Методы, используемые и разрабатываемые в диссертации:

■ метод модернизации приборов и систем промышленного учета состоит в исследовании данных, передаваемых по последовательным каналам связи с целью выявления протокола информационного обмена и последующего декодирования.

■ метод запросных схем систематизации баз данных учета газа позволяет вместо реляционных связей там, где их введение невозможно, ввести направления движения потоков данных и векторы применения фильтров, запросов и процедур и представить алгоритм формирования целевых

таблиц и запросов в наглядном виде;

2

энтропийный метод исследования недокументированных протоколов и определения знакомест кодов циклического избыточного кодирования позволяет построить диаграммы байтов информационных пакетов и сравнивать их хаотичное или закономерное появление; программные методы борьбы с пропуском инструкций процессором контроллера, обусловленные насыщением ТТЛ-логики центрального процессора, позволяют применять алгоритмы, нечувствительные к таким пропускам, применять дуплексные линии связи с возможностью перезагрузки основного алгоритма и перезапуска контроллера по запросу, если ошибка выявлена;

методы повышения качества передачи данных по каналам связи и длинным кабельным линиям заключаются в применении емкостных фильтров, устройств конвертирования с возможностью передачи данных на более высокой скорости и/или применением промышленных интерфейсов передачи данных, введения кодов циклического избыточного кодирования; метод косвенного определения плотности газа с учетом коэффициента сжимаемости;

метод диаграммного анализа данных промышленного учета метана для экономического анализа, выявления нештатных ситуаций, детектирования выбросов расхода газа, определения годичного и сезонного тренда рабочих параметров газопотребления;

методы программно-аппаратной разработки электронных приборов учета метана позволяют изменять структуру измерительного комплекса, в котором первичный преобразователь с датчиками оказывается автономным корректором; перезапускать программу с полной инициализацией рабочего цикла в целях защиты прибора от частичного зависания, связанного с некорректным заземлением или отсутствием необходимой катодной защиты, индицировать неисправности.

Основные научные положения, выносимые на защиту, и их новизна

1. Предложенные 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. Разработанные новые 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 описания протоколов новых приборов в виде базы данных — пополняемыми и корректируемыми.

3. Использование разработанных методов и средств учета газа позволяет на основе статистических данных рабочих параметров газопотребления реальными объектами проводить технологический анализ режимов газопотребления, выявлять нештатные ситуации, оценивать экономическую эффективность оборудования.

4. Разработанная новая структура двухпроцессорного корректора объемного расхода газа-метана обеспечивает возможность коммерческого и технического учета с большим количеством датчиков и первичных преобразователей для программно-аппаратной системы промышленного 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.

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

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

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

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

■ разработанные измерительные комплексы учета позволяют оценить промышленную значимость процессов дегазации угольных пластов и каптации метана на угольных шахтах, оценить объем добычи метана, приведенный к стандартным условиям.

Реализация результатов работы:

В основу работы лег десятилетний опыт работы в сфере проектирования, внедрения, монтажа и наладки систем учета природного газа-метана и сопут-. ствующего оборудования, разработки программного обеспечения для измерительных комплексов. Разработанные программы для ЭВМ ПРИЗ-\У1Ы 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, подтвержденных авторскими свидетельствами, в газовом хозяйстве более десяти промышленных предприятий, в том числе:

- Солнечногорский стекольный завод ОАО «СОЛСТЕК»; Завод вторичных металлов и сплавов ЗАО «Завод ВМС»; ОАО «Загорское монтажное управление»; Домодедовский завод «Кондиционер» ОАО «Докон»; ОАО «Импульс», МУП «Тепло Коломны»; объекты ООО «Стройперспектива» и других.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены на научных симпозиумах «Неделя горняка», 2009-2011гг, семинарах кафедры «Автоматики и управления в технических системах» Московского государственного горного университета. Результаты работы использованы при проектировании измерительных комплексов и узлов учета, реализованных на 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 Минобрнауки России, 4 авторских свидетельства на программы для ЭВМ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти 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 и классификация средств учета газа, проводится сравнительный

анализ известных аппаратно-программных средств учета газа и внешнего

программного обеспечения. Анализ существующих способов и средств

6

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

V =у-Е1с- = урТ^с П)

с рсТК РсТ2'

где V - объем газа в рабочих условиях, м3; рс, р - давление газа при стандартных и рабочих условиях, МПа; Тс, Г-термодинамическая температура газа при стандартных и рабочих условиях; К - коэффициент сжимаемости газа; 2, 2С - фактор сжатия газа при рабочих и стандартных условиях.

Измерительные участки газораспределительных станций часто оснащают плотномерами и приборами лазерной спектрометрии для определения компонентного состава газа, плотность которого определяется соотношением:

р = ри/г = рсрТс1рсТК. (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 коммерческого учета. Расширение области применения приборов учета метана для применения в целях технического учета может рассматриваться в качестве модернизации приборов коммерческого учета.

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.

Во второй главе приводятся результаты решения вопросов:

- проектирования автоматизированных систем учета газа-метана на промышленных объектах и их специфика, задачи учета газа-метана на шахтах в процессе дегазации гидрорасчлененных угольных пластов;

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

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

- детектирования байтов циклического избыточного кодирования, для решения которой применяется энтропийный метод;

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

Погрешность измерений определяется в соответствии с ГОСТ 8.395:

Метод запросных схем для формализации и систематизации баз данных с большим количеством таблиц и запросов вместо реляционных связей вводит направления движения потоков данных и векторы применения

' _ У тах У тщ

оу ~ 7

У

(3)

где У - приведенная погрешность.

соответствующих фильтров и процедур, что позволяет представить алгоритм формирования целевых таблиц и запросов в наглядном виде. Запросная схема для базы данных МПВ ПРИЗ ЭВМ приводится на рис. 1.

® Месяц ® Число

® Дата ® Год

X_.

«Ц. Ю_58

V—

¡X |

[Щ^^^С^РО.Ко» |

V

Ш М_суг2

Г II л

| й 100_Дага | ] ® | О0_час |

| В | С0_те* | |1&|юл* |

| 100_сут I | О | °0_кшс |

)

ГЭ ГЮ_гю [

XII-

Гь^а 00_Арх_а<М | М_Ар*

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 систем учета газа является задача выявления неявных ошибок, детектирование которых не предусмотрено общими и входящими в комплект поставки средствами отладки программного обеспечения. К таким неявным ошибкам относят пропуск инструкций процессором при выполнении внутреннего программного обеспечения, реализующего алгоритмы управления и архивирования, что недопустимо для приборов коммерческого учета газа.

В процессе рассмотрения установлено, что код программы может быть проанализирован и инструкция, закрывающая тем или иным образом регистр 1Р для чтения, может быть вьмвлена, поэтому на вопрос о создании недекомпилируемых программных продуктов следует ответить отрицательно.

В целях повышения надежности защиты программного обеспечения могут применяться аппаратные схемы защиты, но они могут быть отключены. Надежная защита программного обеспечения от несанкционированного копирования должна в обязательном порядке включать программную часть.

В третьей главе приводятся результаты разработки программного комплекса «Приз- \VlNn с обобщенным описанием протокола передачи данных по линии связи между электронным корректором учета метана и компьютером. 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-УУШ», защищенной авторским свидетельством. Разработка проведена для серийно выпускаемых приборов учета электронных корректоров расхода газа, приведенного к стандартным условиям. На базе выполненной разработки проведена модернизация электронного корректора $ЕУС-91. Выполнена модернизация программной и аппаратной части корректора с интерфейсом, аналогичным приведенному на рис.2. Кроме того, разработан набор утилит для адаптации программного обеспечения электронных корректоров объемного расхода газа ПРИЗ, ЖКС-Ц СОЯи^-РТХ, 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.

¡юрИИршрИиИи 1 — г~шгяг~- - а рг~пи; '.ас«'

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

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 ответов. Полученные дампы подвергаются корреляционному и энтропийному анализу, а затем используются в качестве исходных данных для выявления 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 рассматриваются экспериментальное исследование и результаты промышленного внедрения автоматизированной системы учета объемного расхода газа, приведенного к стандартным условиям, на основе применения различных электронных корректоров, например, МПВ ПРИЗ, ЕК-260, СПГ-761, ЖГС-91 и БЕУС-Б.

Рассматриваются общие и экономические результаты внедрения узлов учета газа. По графику годового суточного расхода газа определяют эконо-

мический эффект от потребления газа. Например, по графику потребления газа, представленному на рис. 3, экономический эффект составил 15%. Эффект вызван внедрением программно-аппаратных комплексов промышленного учета газа-метана, при этом резкие выбросы расхода соответствуют нештатным ситуациям.

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

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

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 иметь гальванические развязки с целью искрозащиты, взрывозащиты и повышения надежности работы прибора в целом. Гальванические развязки позволяют защитить от насыщения цепи микросхем внутренней ТТЛ-логики, что увеличивает ресурс эксплуатации и

12

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;

программное обеспечение эксплуатируемой системы 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. Это решение позволяет вынести электронной корректор учета газа-метана на рабочее место оператора учета промышленного объекта, объекта добычи или транспортировки газа. Все первичные преобразователи имеют общий блок 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;

- в целях повышения надежности работы прибора и во избежание преждевременного отказа необходимо в системе предусмотреть схему перезагрузки прибора с последовательной в порядке значимости программной перекоммутацией входящих в электронный корректор микропроцессорных схем и схем сопряжения;

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

тензометрических датчиков давления и температуры.

13

В пятой главе приводятся результаты разработки нового электронного корректора учета метана. В качестве прототипа разрабатываемого корректора выбран микропроцессорный вычислитель ПРИЗ, включенный в Государственный реестр средств измерений отечественного производства ОАО «Импульс». Этот корректор 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 от главного прибора через преобразователь, что сохранено для нового прибора.

Прибор коммерческого учета предлагается выполнить в виде отдельного первичного преобразователя (рис. 4) без жидкокристаллической индикации. Основной 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.

X

ш

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

Для решения задачи учета метана предполагается использование приборов в четырех вариантах: макетный образец с расширенными возможностями, в том числе возможностями наладки; прибор малой серии в миникорпусе, который может использоваться в качестве удаленного преобразователя для технического учета или автономного корректора малой серии; удаленный первичный преобразователь на базе корректора в миникорпусе; центральный прибор учета, который может использоваться совместно с другими удаленными корректорами или удаленными первичными преобразователями. Разработка электронного корректора начинается с макетного образца, который используется в качестве базового решения. Первичный микропроцессорный преобразователь и прибор в миникомпоновке создаются на базе макетного образца путем усечения базового решения прибора технического учета.

Пример изменения параметров метана, полученный в результате промышленного учета с помощью разработанного прибора, приводится на рис. 5.

ооооооооооооооооооооо

Рис. 5. Пример изменения параметров газа на объекте газопотребления

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

Амплитудная помеха вводится на случай, если возникает искажение сигнала между преобразователем частотного сигнала и аналого-цифровым преобразователем, поскольку необходимо иметь обратимое преобразование, позволяющее вернуться к исходному виду кривой - аппроксимации с учетом дискретности аналого-цифрового преобразователя. Такой подход позволяет теоретически рассматривать процессы, происходящие аппаратно:

т. = МЛТхтс№) = Л'8Ш(Г/ЛИСКР), (4)

где А- амплитудная помеха между частотным преобразователем и аналого-цифровым

преобразователем.

Для диагностики неисправностей, связанных с выходом из строя жидкокристаллического индикатора, предусматривается светодиодный индикатор, который позволяет получить информацию о текущих нештатных и аварийных ситуациях на 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 УВА;

- фрагменты выполненных рабочих проектов узлов учета газа с газорегуляторными установками, утвержденных и принятых к исполнению;

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 17188Л55 и электронного корректора БЕУС- 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 сопоставить потребление и эффективность выпуска продукции на промышленных предприятиях, эффективность использования рабочего тела, сопоставить потребление и добычу газа на газовых месторождениях, определить значимость добычи газа на угольных месторождениях, что имеет важное значение для газовой и угольной отраслей промышленности, а также общее промышленное значение.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации, полученые автором, 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 описания 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-^ГДУ), защищенный авторским свидетельством, разработана группа утилит для обработки данных, получаемых с выхода микропроцессорных вычислителей электронных

корректоров объемного расхода газа ПРИЗ, СПГ, УВП, БЕУС-О, СОКиБ-РТТ., ЕК-88, ЕК-260 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 8ЕУС-91 и контроллера ¡СР-ИАБ 17188^2?, предложено решение для нового прибора промышленного учета метана.

5. Разработанное и модернизированное программное обеспечение внедрено на промышленных предприятиях 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, и 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. Электронный корректор объема природного метана с первичным преобразователем// Горный информационно-аналитический бюллетень. Экология и метанобезопасность. -2011.—ОВ№8.-с.420-430.

2. Волошиновский К.И. Счетчики и первичные преобразователи объемного расхода метана // Горный информационно-аналитический бюллетень-2011-№3.-с.303-306.

3. 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.-№3.-с.399.

18

4. Волошиновский К.И. Датчики компонентного состава для промышленного учета природного газа-метана // Горный информационно-аналитический бюллетень.-2011.-№3.-с.230.

5. 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 .-№3 .-с.257.

6. Волошиновский К.И. Датчики плотности и влажности для промышленного учета природного газа-метана // Горный информационно-аналитический бюллетень.-2011 -№3.-с.337.

7. Волошиновский К.И. Измерительные комплексы учета объемного расхода и рабочих параметров метана и природного газа метана // Горный информационно-аналитический бюллетень.-2011-№3.-с.13.

8. Волошиновский К.И. Средства связи, используемые в промышленном учете природного метана // Горный информационно-аналитический бюллетень-2011-№3.-с.399.

9. 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.-№3.-с.287. Ю.Волошиновский К.И. Современные и стандартные датчики перепада давления, применяемые в промышленном учете природного газа-метана П Горный информационно-аналитический бюллетень.—2011—№3.-с.61.

11 .Волошиновский К.И. Электронные корректоры учета объемного расхода и рабочих параметров метана // Горный информационно-аналитический бюллетень.-2011 .-№3 .-с. 181.

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

13.Волошиновский К.И. Разработка программного продукта W1A3-WIN для измерительного комплекса учета газа ПРИЗ с обобщенным описанием протокола передачи данных // Горный информационно-аналитический бюллетень.-2009.-№6.-с.88.

14.Волошиновский К.И. Программно-аппаратная система учета метана ПРИЗ на базе программного продукта ПРИЗ-ff/N и измерительного комплекса ПРИЗ // Датчики и системы.-2010.-№4.-с.37-39.

15.Волошиновский К.И. Измерительный комплекс учета газа на базе электронного корректора SEVC-91 и контроллера ICP-DAS1718 8А® // Горный информационно-аналитический бюллетень. Неделя горняка.-20Ю.-ОВ№1-с.283-289.

16.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.-с.77.

Авторские свидетельства:

17.Волошиновский К.И. Модуль опроса и обработки архивных данных микропроцессорных вычислителей ПРИЗ (ПРИЗ-WIN) — 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, SEVC-D, CORUS-PTZ, ЕК-88, Ж-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 ЖГС91/7188 — 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.

22.Волошиновский К.И. Модернизация электронного корректора объема газа SEVC-91 и исследование протокола обмена для подключения ПЭВМ // Вестник МГТУ.-2009.-№2.-с.77-82.

Подписано в печать 26.01.2012

Объем 1 печ.л. Тираж 100 экз

Формат 60x90/16 Заказ № 1126

ИД ООО «Ролике». 141006, г. Мытищи, Московская обл., Олимпийский пр-т, 30/17. Отпечатано ИД ООО «Ролике».

61 12-5/3065

московский государственный горный университет

На правах рукописи

волошиновский кирилл иванович

УДК 621.39:317:38; 681.121; 622.412.1

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

05.13.06. Автоматизация и управление технологическими процессами и производство

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2012

содержание

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................................................4

ГЛАВА 1. ОБЗОР АППАРАТНЫХ И АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫХ РЕШЕНИЙ

ТОЧНОГО УЧЕТА ГАЗА......................................................................................................11

1.1 .Проблема учета газа, степень её разработанности и трудности её решения..........11

1,2.0бзор, эволюция развития, классификация и сравнительный анализ аппаратных

средств точного учета газа.................................................................................................15

1.3.Обзор и сравнительный анализ электронных корректоров учета газа....................19

1.4.Сравнительный анализ программных продуктов, средств их разработки и систем сотовой связи в сфере промышленного учета газа..........................................................21

1.5.Постановка задач диссертации и направлений исследования..................................25

ВЫВОДЫ.......................................................................................................................................26

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ СБОРА, НАКОПЛЕНИЯ И ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ УЧЕТА ГАЗА.....................................27

2.1.Формализация реляционных и некоторых нереляционных баз данных на основе схем данных и запросных схем.........................................................................................27

2.2.Повышение качества передачи учетных данных по каналам связи и длинным кабельным линиям............................................ ..................................................................31

2.3.Тестирование ПО и надежность программной продукции в области учета газа... 37

2.4.Детектирование байтов ОС........................................................................................42

2.5.Преемственность процесса разработки, декомпиляция и защита............................45

ВЫВОДЫ.......................................................................................................................................49

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И МОДЕРНИЗАЦИЯ

АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫХ КОМПЛЕКСОВ «БЕГС-Я!» И «ПРИЗ».....................50

3.1.Модернизация электронного корректора 8ЕУС-91...................................................50

3.2.0беспечение архивации данных в модернизированном корректоре.......................60

3.3.Работа мембранных перепадомеров вблизи нижнего предела измерения..............64

3.4.Разработка программного комплекса «Приз-БОБ»..................................................66

3.5.Разработка программного продукта «ПРИЗАМ» и сервисного набора утилит ..71 ВЫВОДЫ.......................................................................................................................................80

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ

ПРОМЫШЛЕННОГО ВНЕДРЕНИЯ СРЕДСТВ УЧЕТА ГАЗА.......................................81

4.1 .Результаты внедрения и экспериментальных исследований узла учета с электронным корректором МПВ ПРИЗ............................................................................81

4.2.Результаты внедрения и экспериментальных исследований узлов учета с корректорами ЕК-260 и ЕК-88 результаты внедрения приборов учета........................84

4.3.Результаты внедрения и экспериментальных исследований узлов учета с датчиками перепада Сапфир и корректором СПГ-761...................................................86

4.4.Результаты внедрения приборов учета семейства Actaris и модернизированного

корректора SEVC-91...........................................................................................................88

4.5.Общие и экономические результаты внедрения узлов учета газа...........................90

ВЫВОДЫ.......................................................................................................................................93

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА НОВЫХ ПРИБОРОВ ПРОМЫШЛЕННОГО УЧЕТА

ПРИРОДНОГО ГАЗА.............................................................................................................94

5.1 .Универсальная модульная структура прибора нового поколения для коммерческого и технического учета газа.......................................................................94

5.2.Конструктивное решение и компоновка аппаратной части комплекса учета........98

5.3.Принципиальная схема электронного корректора нового образца.......................103

5.4.Первичные преобразователи параметров газа и датчики................ .......................107

5.5.Программное обеспечение: внутреннее, внешнее и комбинированное................111

ВЫВОДЫ.....................................................................................................................................И2

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..........................................................................................................117

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Исходный текст процедуры расчета CRC кода на языке VBA............119

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Выдержки из проектов..............................................................................120

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Побайтные графики информационных сообщений................................123

Приложение 4. Исходные тексты модулей SEVCCON.MDB НА ЯЗЫКЕ vba....................125

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Исходные тексты программы опроса SEVC-91 для контроллера I7188XB на языке С++................................................................................................................132

введение

Диссертация рассматривает задачи информатизации объектов промышленного газопотребления в теоретическом и практическом ключе, предлагает подходы к их решению. Задача информатизации промышленного учета газа затрагивает довольно широкий комплекс технических мероприятий: установку первичных преобразователей и датчиков, для которых должны быть предусмотрены специальные метрологические участки трубопроводов, установку электронных приборов учета газа с возможностью подключения компьютеров и средств телеметрии. С целью решения задач информатизации объектов газодобычи и потребеления проводятся экспериментальные исследования на промышленных объектах, а также проводятся экспериментальные и лабораторные исследования выявляемых подзадач. Газ — взрывоопасное рабочее тело, поэтому к оборудованию, входящему в состав измерительных комплексов учета газа, предъявляются особые требования по взры-возащите и искрозащите.

В последнее время наблюдается устойчивый рост тарифов на энергоресурсы, в т.ч. природный газ. Дефицит и наличие прогнозов об ограниченных запасах месторождений природного газа только повышают актуальность решения проблемы учета газа на различных уровнях учета, в том числе у потребителя, газопоставляющих, газораспределяющих и газотранспортирующих организаций, а также в целом на федеральном уровне. Основной акцент службами ОАО «ГАЗПРОМ» делается именно на сведении баланса потребления между всеми уровнями использования газа: газодобычи, газотранспортирования, газораспределения и газопотребления.

Рост тарифов на использование природного газа привел к повышению требований к точности учета и его оперативности. Рост этих требований произошел, как со стороны потребителей газа, так и со стороны газотранспортирующих организаций. В советское время заниженные тарифы на энергоресурсы привели к отставанию страны в области массового выпуска приборов для точных измерений. Ориентация страны на применение двух массовых инженерно-конструкторских решений привела к отставанию и в области удобных конструктивных решений для соответствующих промышленных применений, обеспечивающих удобство монтажа и эксплуатации, не говоря уже о научном подходе к конструктивному исполнению датчиков и преобразователей. В то время как на западе уже имеется широкая гамма усовершенствованного оборудования, предлагаемая как на внутренний, так и на внешний рынки. В нашей стране впервые за последние 30 лет, потребители в лице энергетиков-руководителей предприятий оказались объективно заинтересованы в установке оборудования для существенного повышения точности учета энергоресурсов. До автоматизации учета в этой области, оплата производилась

Волошиновский К.И. 29.01.2012 15:42:13 4

по результатам расчетов, выполненных в ручную по среднему значению, в результате переплата, а иногда недоплата, по сравнению с реальным потреблением составляла от 5 до 15% и более (обычно не более 30%). Повысились метрологические требования, существенно повысился уровень инспектирования. На фоне роста тарифов произошло ужесточение требований по выделению и расходованию лимитов на газопотребление.

Д.И. Менделеев отмечал: "Наука начинается там, где начинаются измерения". Сам подход к решению задач информатизации с применением измерительных систем и датчиков уже является научным. В рамках диссертации рассматривается решение задачи точного учета газа и коммерческого учета газа с применением датчиков и оборудования, к которым предъявляются повышенные требования по точности. Тем не менее, полученные решения могут быть использованы и в техническом учете, и в задачах управления, в том числе с применением БСАОА систем.

Информатизацию любой отрасли промышленности, в том числе газовой, невозможно представить без применения микропроцессорных систем и современных персональных ЭВМ. За последние десятилетия отчетливо прослеживается разделение программного обеспечения для таких микропроцессорных систем на внутреннее (зашиваемое в контроллер) и внешнее (для подключаемой ЭВМ настройки и управления). Необходимость глобализации учета в рамках ОАО «ГАЗПРОМ» и крупных филиалов, таких как ОАО «МОСОБЛГАЗ» привело к ряду попыток применения сотовой связи к задаче регионального сбора данных о расходе природного газа.

В основе информатизации объектов промышленного газопотребления лежит подход из четырех компонент: электроника датчиков или первичных преобразователей; аппаратная часть микропроцессорного вычислителя объемного расхода и его внутреннее программное обеспечение; средства цифропечати (персональный компьютер с внешним программным обеспечением или принтер, подключенный непосредственно к микропроцессорному вычислителю) и система сотовой связи для регионального сбора данных.

В рамках такого четырехкомпонентного подхода микропроцессорные системы используются в качестве базиса для решения задач учета газа любого уровня. Принципиальные решения и блок-схемы таких микропроцессорных систем являются близкими друг к другу и имеют сходный компонентный состав для любых известных фирм производителей, как для старых, так и для новых схемотехнических решений, кроме нейрокомпьютеров1. Использование систем с постоянной структурой аппаратной части и вариацией алгоритма управления путем изменения программной части системы позволяет рассматривать микропроцессорную систему, как систему с программируемой архитектурой. Сначала такая ар-

1 Нейроконтроллеры уже доступны на рынке контроллеров: ХШпх ХС4000 или ЫеигоМаЫх N Мб 403 Волошиновский К.И. 29.01.2012 15:42:13 5

хитектура казалась привлекательной из-за низкой стоимости разработки программного обеспечения по сравнению с аппаратной частью. Однако, эволюция развития микропроцессорных систем привела к обратной ситуации: стоимость разработки программного обеспечения составляет теперь 50-100% общей стоимости устройства. Высокая тактовая частота процессоров, высокая разрядность ЦАП и АЦП, доступность широкой гаммы электронных компонентов и программных средств разработки позволили приблизить цифровые системы к аналоговым по таким параметрам как высокая точность и малое запаздывание. Наблюдается устойчивый рост тактовой частоты. Использование микропроцессорных систем с внутренним и внешним программным обеспечением позволяет повысить эффективность разработки программно-аппаратных комплексов, что проявляется в возможности устранения типовых возмущающих воздействий, возникающих на промышленных объектах газопотребления и газораспределения с применением программных методов. К таким возмущениям можно отнести дребезг геркона, подтормаживание вращающегося элемента первичного преобразователя расхода, дрейф нуля датчиков, нелинейность характеристики датчиков давления, её зависимость от конкретных условий эксплуатации. Фактически имеется возможность программно устранять недостатки, возникшие неожиданно на конкретном объекте или допущенные на этапе предпроектной проработки, не входившие в исходные требования и техническое задание.

Актуальность работы. Проблема промышленного учета метана состоит в обеспечении для промышленных объектов требуемой точности измерения объемного расхода газа с учетом его рабочих параметров.

Проблема промышленного учета газа решается построением автоматизированной системы измерения и контроля рабочих параметров метана.

В последнее время появилась возможность проводить более точный учет метана с

3 тт

использованием счетчиков газа, рассчитанных на расходы от 10 до 10000 м /ч. 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 документированности 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 модернизации, создания и адаптации аппаратных средств, внутреннего и внешнего программного обеспечения автоматизированной системы учета метана является актуальной.

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

Идея работы состоит в том, чтобы для построения программно-аппаратного комплекса системы автоматизированного учета природного газа использовать методы кодового повышения достоверности, запросных схем, энтропийного исследования недокументированных протоколов и активной фильтрации.

Задачи диссертационной работы.

1. Разработать метод модернизации внутреннего и внешнего программного обеспечения существующих промышленных измерительных комплексов, разработать методы адаптации программного обеспечения для приборов коммерческого и технического учета газа.

2. Разработать программно-аппаратный комплекс системы автоматизированного учета расхода газа-метана с учетом технических, эргономических и конструкторских критериев.

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

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

5. Провести экспериментальные исследования разработанных аппаратно-программных средств промышленного учета газа.

6. Предложить аппаратно-программное решение нового прибора учета газа, пригодного для коммерческого и промышленного учета.

Методы, используемые и разрабатываемые в диссертации:

■ метод модернизации приборов и систем промышленного учета состоит в исследовании данных, передаваемых по последовательным каналам связи с целью выявления протокола информационного обмена и последующего декодирования.

■ метод запросных схем систематизации баз данных учета газа позволяет вместо реляционных связей там, где их введение невозможно, ввести направления движения потоков данных и векторы применения фильтров, запросов и процедур и представить алгоритм формирования целевых таблиц и запросов в наглядном виде;

■ энтропийный метод исследования недокументированных протоколов и определения знакомест кодов циклического избыточного кодирования позволяет построить диаграммы байтов информационных пакетов и сравнивать их хаотичное или закономерное появление;

■ программные методы борьбы с пропуском инструкций процессором контроллера, обусловленные насыщением ТТЛ-логики центрального процессора, позволяют применять алгоритмы, нечувствительные к таким пропускам, применять дуплексные линии связи с возможностью перезагрузки основного алгоритма и перезапуска контроллера по запросу, если ошибка выявлена;

■ методы повышения качества передачи данных по каналам связи и длинным кабельным линиям заключаются в применении емкостных фильтров, устройств конвертирования с возможностью передачи данных на более высокой скорости и/или применением промышленных интерфейсов передачи данных, введения кодов циклического избыточного кодирования;

■ метод косвенного определения плотности газа с учетом коэффициента сжимаемости;

■ метод диаграммного анализа данных промышленного учета метана для экономического анализа, выявления нештатных ситуаций, детектирования выбросов расхода газа, �