Возможности применения технологии WSN в нефтегазовой отрасли

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

СКГУ им. М.Козыбаева

Возможности применения технологии WSN в нефтегазовой отрасли

Кошеков К.Т.

Одним из инновационных научных направлений развития научно-технологического прогресса является внедрение интеллектуальных технологий.

Ведущие зарубежные нефтегазовые компании давно работают в направлении "интеллектуализации" в нефтегазовом деле по направлениям:

разработка систем мониторинга и контроля скважин с удаленными механизмами управления;

создание экспертных систем контроля состояния и диагностики оборудования.

Большинство задействованного в нефтегазовой отрасли оборудования, как и сам процессы производства, требуют мониторинга, но его проведение непосредственно обслуживающим персоналом является трудоемким и низкоскоростным процессом, который носит спорадический характер и склонен к неточностям.

Одно из ключевых решений этой проблемы -- построение беспроводной сенсорной сети (Wireless Sensor Networks, WSN) на основе стандартов IEEE 802.15.4/ZigBee/6LoWPAN с низкой скоростью передачи данных и сверхнизким энергопотреблением, которая может быть использована на нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводах, скважинах и накопительных станциях, для подводных разработок месторождений нефти и газа.

В недавнем прошлом проводные сенсорные сети способствовали снижению затрат, однако новейшие научно-технические достижения стимулируют развертывание беспроводных сенсорных сетей на основе малогабаритных датчиков (мотов) с низким энергопотреблением.

Беспроводная сенсорная сеть - это беспроводная система, представляющая собой распределенную, самоорганизующуюся и устойчивую к отказам отдельных элементов сеть миниатюрных вычислительных устройств с автономным источником питания. Узлы такой системы транслируют сообщения друг через друга, обеспечивая значительную площадь покрытия сетью при малой мощности передатчика.

С точки зрения радиуса (дальности) действия, все беспроводные сети передачи данных делятся на следующие категории:

беспроводные персональные сети (Wireless Personal Area Network, WPAN), которые работают с протоколами Bluetooth, WirelessUSB, ZigBee, RFID;

беспроводные локальные сети (Wireless Local Area Network, WLAN), используют Wi-Fi;

беспроводные сети масштаба города (Wireless Metropolitan Area Network, Wireless MAN), или сети широкополосного беспроводного доступа (Broadband Wireless Access, BWA), в настоящее время работают на WiMAX;

беспроводные глобальные сети (Wireless Wide Area Network, WWAN), это сети беспроводной передачи данных на базе радиорелейных, сотовых и спутниковых технологий.

Соотношение между радиусом действия и скоростью передачи данных для разных протоколов представлено на рисунке 1 [1].

Рисунок 1. Сравнительные характеристики (скорость передачи/дальность) для различных протоколов беспроводной передачи данных

В большинстве применений обмен информацией между узлами WSN происходит по беспроводным каналам связи по протоколу ZigBee. Данный протокол предоставляет возможности реализации беспроводной связи с низким энергопотреблением для множества приложений, которые осуществляют функции мониторинга и/или управления. ZigBee -- WPAN технология, работающая на стандарте IEEE 802.15.4. Данная технология была разработана с целью обеспечения более дешевого и менее энергоемкого решения по сравнению с другими WPAN-технологиями, в частности с Bluetooth.

ZigBee может активироваться (то есть переходить от спящего режима к активному) за 15 миллисекунд или меньше, задержка отклика устройства может быть очень низкой, особенно по сравнению с Bluetooth, для которого задержка, образующаяся при переходе от спящего режима к активному, обычно достигает трёх секунд. Так как ZigBee большую часть времени находится в спящем режиме, уровень потребления энергии может быть очень низким, благодаря чему достигается длительная работа от батарей.

За стандартом ZigBee закреплены 27 каналов в трех частотных диапазонах - 2,4 ГГц (16 каналов), 915 МГц (10 каналов) и 868 МГц (1 канал). Максимальная скорость передачи данных для этих эфирных диапазонов составляет, соответственно, 250 кбит/с, 40 кбит/с и 20 кбит/с [2].

Особенность ZigBee заключается в том, что она предназначена для реализации не только простых соединений "точка-точка" и "звезда", но и сложных сетей с топологиями "дерево" ("кластерное дерево") и "многоячейковая сеть" (рисунок 2), способных поддерживать ретрансляцию и поиск эффективного маршрута передачи данных. Сети ZigBee являются самоорганизующимися и самовосстанавливающимися.

Преимуществами технологии является то, что хотя ZigBee-оборудование не может обеспечить передачу данных на расстояние свыше 70-80 метров, оно может использовать в качестве туннеля для трафика каналы устройств Wi-Fi или Bluetooth, если они находятся в зоне видимости. Среди прочих достоинств стандарта следует упомянуть хорошую масштабируемость, возможность самовосстановления в случае сбоев и простоту настройки.

В стандарте ZigBee также устранены некоторые недостатки, свойственные беспроводной передаче в целом. Безопасность сети обеспечивается механизмами, закрывающими ее для добавления новых устройств, идентификаторами сети, а также надежными алгоритмами шифрации.

Рисунок 2. Топология ZigBee сетей

Указанные свойства важны для любой сферы промышленности, но для нефтегазовой индустрии они имеют особое значение; учитывая труднодоступные места установки объектов и сложности возможного профилактического ремонта.

Применение беспроводных сенсорных сетей, готовых к масштабированию - это привлекательное альтернативное решение для высоконадежной связи в зоне расположения нефтегазовых объектов, где наземные линии связи ненадежны, труднодоступны или их нет вообще [3].

Конечно же, следует отметить имеющиеся недостатки и возможные угрозы в работе сетей WSN на основе ZigBee:

- низкая скорость передачи данных;

- уязвимость отдельных сенсорных узлов;

- сложно использовать систему криптографических ключей (ограниченные ресурсы узлов - вычислительная мощность, память и энергопотребление);

- проблемы с определением местоположения узлов при использовании традиционных протоколов безопасности.

Однако для работы с большинством типов датчиков не требуются высокие скорости передачи данных - в этом случае более востребованы низкое энергопотребление, цена и надежность.

Инженерная задача при проектировании WSN заключается в возможности удовлетворения всех нормативных требований к мониторингу оборудования и систем в отдаленных сложных условиях добычи нефти и газа, при обеспечении безопасности персонала и окружающей среды. При этом эксплуатант хотел бы иметь надежную сенсорную сеть, простую в монтаже и настройке при небольших финансовых затратах.

Беспроводные сенсорные сети на месторождениях могут контролировать целостность трубопровода и поток углеводородов, своевременно обнаруживать утечки и передавать информацию в центр принятия решений. Динамические (вращающиеся) механизмы, которые широко представлены в нефтегазовой отрасли, также могут быть опутаны сетью датчиков, что дает возможность проводить мониторинг состояния оборудования во время работы и осуществлять ремонт или замену дефектных компонентов еще до возникновения отказа. Датчики могут быть включены в общую систему мониторинга состояния оборудования для обнаружения, анализа и диагностики возможных отказов машин и механизмов.

Применение технологии WSN существенно упрощает задачу реализации так называемых интеллектуальных месторождений.

Суть концепции цифровых или интеллектуальных месторождений заключается в прозрачности и мгновенной доступности любых параметров и показателей работы системы. Начиная от технологических, технических данных и до производственных и экономических показателей. Такая «on-line» доступность данных позволяет не просто организовать дистанционное управление объектами нефтегазодобычи, но и, несомненно, повысить энергоэффективность, обеспечить рост производственных показателей работы оборудования, оптимизировать работу персонала, на основе постоянно пополняющихся статистических данных и достоверной информации о техническом состоянии оборудования создавать максимально эффективную систему технического обслуживания [4].

Сети WSN открывают большие возможности для оптимизации производства и могут быть использованы для удаленного мониторинга трубопроводов, выявления утечки природного газа, коррозии, контроля содержания сероводорода, оценки состояния оборудования и резервуаров в режиме реального времени.

нефтегазовый интеллектуальный протокол беспроводной

Литература

Нина Рэи?ч. Преимущества развертывания сенсорных сетей в нефтегазовой индустрии// Control Engineering Россия, №3, 2015.

Агафонов Николай. Технологии беспроводной передачи данных ZigBee, BlueTooth, Wi-Fi.// Беспроводные технологии, №1, 2006.

Дистанционный и диагностический контроль технического состояния нефтегазовых месторождений: основные преимущества беспроводных сенсорных сетей. [Электронный ресурс]: https://www.oilandgaseurasia.com/ru/tech_trend/дистанционный-и-диагностический-контроль-технического-состояния-нефтегазовых/page/0/1.

Новые разработки в приборостроении для нефтегазового комплекса. [Электронный ресурс]: http://kipinfo.ru/files/kipinfo_14_2013.pdf.

Размещено на Allbest.ru