ЕНЕРГИЯ - Списание за оборудване, технологии и инженеринггодина V, брой 1, 2013

Телеметрия и телематика в енергетиката

Телеметрия и телематика в енергетиката

Автоматизацията на съвременните енергийни и промишлени системи, и сгради е невъзможно без дистанционно измерване и контрол, наричани понякога телеметрия и телематика.
Енергетиката изисква измерване на много високи или много ниски температури и налягания, наличие или отсъствие на определени газове, елементи или съединения, измерване на параметри, на течности, газове, изпарения, на високи токове или напрежения и т.н. Голяма част от тези величини или са опасни за човека, или се намират на неудобни за измерване места, или се променят прекалено бързо, или прекалено бавно, за да се наблюдават директно от оператори. За решаване на проблема се използват телеметрията и телематиката, и те й оказват неоценима помощ в наблюдението и управлението на процесите в енергетиката, транспорта, сградите и землените съоръжения. В тази статия ще разгледаме същността на телеметрията и телеметиката, както и тяхното приложение в обектите на енергетиката и транспорта.


текст инж. Петър Петров

Терминът телеметрия е производен на две гръцки думи. На гръцки език думата „теле” значи „далече”, а думата „метрия” е получена от думата за „ измервания”, т.е. става дума за измерване от разстояние.

Телеметрията е използвана първо във военните проекти и най-вече в аналогов вид, но след това се разпространява и на цивилни обекти, защото предлага по-висока ефективност, а това означава и по-ниска цена на използването и поддръжката на съоръженията.

Понастоящем телеметрията обикновено се определя като процес и технология, необходими за снемане на определени параметри на някакъв обект, за тяхното кодиране и предаване на отделен пункт за контрол с цел да бъдат обработени, анализирани, записани и понякога използвани за коригиране на поведението на обекта. Предаването може да се извърши в жична или безжична среда, в газове, течности или твърди тела. Използването на медни, алуминиеви, стоманени или оптически проводници за предаване на сигналите е често явление. Понякога за преносна среда се използва и съществуващата електрическа и радио мрежа. Само в много отговорни случай на един телеметричен канал се включва по един датчик, тъй като това е скъпо решение, а на практика сигналите от датчиците се обработват и концентрират така, че в един комуникационен канал се изпращат сигналите от много датчици.

Чрез телеметрични системи могат да се измерват почти всички параметри като температура, налягане, скорост, ускорение, посока на движение, усукване, приплъзване, химически състав, обороти и др. Използват се за контролиране на резервоари с гориво, вода и други течности. Те следят комуникационни тунели и подземни съоръжения. Използват се за проследяване на персонал в условия на опасни производствени процеси. Измерват усилията, на които са подложени въртящи и движещи се механизми, породени от вибрации и шумове. Те измерват множество параметри включително и спектрални съставки на звукови вълни (инфразвукови, звукови, ултразвукови), температури, измерване на тегло, преместване на части и машини и др.

Предимства на телеметрията
Телеметерията позволява персоналът, които проследява, контролира или изследва обектите и процесите да е на сигурно място, докато изпълнява поставените му задачи по наблюдение и управление на процесите и машините. Например много манипулации в ядрени електроцентрали, във водоеми, минни обекти, турбини и тръбопроводи изключват директно присъствие на човека или изискват дистанционно наблюдение върху работещия персонал и затова са подходящи телеметричните системи.

Поведението на диги, бентове, язовирни стени, насипи, свлачища, тръбопроводи, проблематични сгради се контролират най-добре от телеметричните системи, защото могат да не проявяват признаци на опасност в продължение на години, а присъствието на хора за измерване на параметри в резултат на земетресение, свличане, експлозия или друго въздействие е нежелателно. Освен това е възможно времето за пристигане и оценка на ситуацията от персонал да се окаже неприемливо дълго.

Пускането и спирането на парни котли, турбини и тръбопроводи изисква внимателно наблюдаване на множество параметри от безопасно разстояние с цел да се вземе решение как да се продължи операцията.

Голямата площ на обектите в енергетиката предполага наблюдение чрез летящи апарати, които все по-често са безпилотни, а това е възможно само чрез високотехнологични телеметричните системи. Обектите от енергетиката, включително и модерните вятърни паркове и фотоволтаични системи оказват влияние върху биосферата. Необходимо е наблюдение върху поведението на птици, животни, растения и хора на тези обекти и това може да стане най - добре чрез тях.

Телеметрията и водните ресурси
Телеметричните системи се използват за да се поддържа необходимото качество и количество на водата за промишлени и битови нужди. Повечето електроцентрали изискват значителни количества вода за нормална работа и за посрещане на нужди при аварии и ремонти. Обикновено необходимите водни ресурси се доставят от наблизо разположени реки, естествени или изкуствени водохранилища.

Телеметричните системи контролиращи инсталации в енергетика може да се захранват от няколко източника, включително от фотоволтаици, вятърни генератори, акумулатори и батерии. Обикновено консумацията е малка с изключение на случаите, когато има датчици или изпълнителни механизми изискващи по - значителни мощности за захранване. Състоянието на източниците на енергия трябва да се контролира непрекъснато, за да се осигури безпроблемната работа на телеметричните системи.

За покриване на големи площи все по-често в телеметрията се използват високоефективни предаватели и приемници с ниска и ултра ниска консумация. За информационния обмен се прилагат най-модерните средства, като телеметрични системи с GPS, GPRS и GSM. Създадени са радиомрежи за мониторинг на водните ресурси работещи в няколко честотни обхвати. Оптически линии, ултразвуковата и инфрачервената комуникация също се използват за обмен на данни.

Приложения
Телеметрията дава възможност бързо и практически без строително-монтажни работи да се инсталират огромен брой датчици и изпълнителни механизми, които да се свържат безжично с главната станция. Има възможност обслужващия персонал да се придвижва с портативен компютър в сградата или в района и да събира информацията от датчиците, да ги калибрира дистанционно и да диагностицира системата без да се налага да включва куплунзи и съединители. Радиовълните от датчиците се разпространяват успешно през повечето прегради.

Телеметрията е полезна, когато трябва да се следят характеристиките на помещенията и събраната информация да се използва за довършване на вентилаторна или климатична инсталация, озвучителна система или на друга вътрешна инсталация, която на практика не може да се оптимизира или да се поддържа без снети данни от терена. Телеметричните системи са полезни и за снемане на информация за реалните нива на вибрации и шум при различните режими на работа на оборудването. Понякога се налага да се избира между няколко вида преградни системи, постаменти или облицовки и да се сравнят получените данни и с тях това става много по - лесно. Част от устройствата за телеметричните системи може да се демонтират след като се установи, че няма нужда от тях. При класическите жични системи трябва да се демонтират и голямо количество скъпоструващи свързващи проводници или просто да се изоставят.

Устройствата за отдалечен контрол
Устройствата за отдалечен контрол RTU, Remote Terminal Unit или Remote Telemetry Unit изграждат обикновено първото ниво на телемтричните системи и на системите SCADA. Всъщност, това са първообразите на тези системи. Понастоящем тези устройства са разработени на базата на ембедед системи с микроконтролери, микропроцесори и цифрови процесори за обработка на аналогови сигнали. Те се използват за изграждане и на разпределените управляващи системи за всички видове индустрии. RTU може да са само за въвеждане или за извеждане на данни или комбинирани. Данните може да постъпват от разнообразни датчици, от обикновени контактни датчици до видеокамери.

Управляващите въздействия се изпращат към релета, електрически клапани за течности, газове или насипни материали, постояннотокови или променливотокови двигатели, звукови, ултразвукови или радиочестотни излъчватели и т.н.

Някои RTU, могат да функционират напълно автономно и просто, и да индицират стойностите на измерените величини на едно или повече табла, или дори да управляват определени изпълнителни механизми. Други обаче комуникират с централен пулт за управление, персонален компютър или локална мрежа. Съвременните RTU могат да поддържат широк набор от комуникационни стандарти и протоколи, както на хардуерно, така и на софтуерно ниво. Част от тях са широко известни, а други са с по -специализирана употреба. Интерфейсите могат да бъдат, както серийни, така и паралелни, галванично изолирани или не, в зависимост от случая.

Стандарти и протоколи в телеметрията
Телеметричните системи са понякога единствените, които осъществяват връзката с обектите. Поради тази си отговорност са направени значителни усилия за тяхното тестване, валидиране, сертифициране, унифициране и стандартизиране, което значи употреба само на проверени и доказали се технологии.

В тeлеметрията се използват различни методи на модулация на сигналите, като честотна, импулсна амплитудна, широчинно - импулсна, импулсно-кодова модулация и др. Използват се и преобразуватели на сигналите от аналогова в цифрова форма и цифрово аналогово преобразуване.

Измежду стандартите за обмен на данни по магистрали за данни т. нар. data bus в телеметрията могат да се споменат ARINC-429, MIL-STD-1553 и IRIG-106.

ARINC-429 е стандарт за информационна магистрала главно за самолетостроителната промишленост, но се среща и в други високоотговорни приложения. Той определя физическите и логическите слоеве и протокола на интерфейс с два проводника за обмен на данни. Сигналите на предавателя Tx и на приемника Rx са на отделни проводници. Обикновено обменът се прави на две скорости: ниска от 12.5kHz и висока 100kHz. Този стандарт е с опростена и по - евтина версия на стандартите ARINC-568 и MIL-STD-1553. Той използва диференциално и двуполярно с връщане в нулата кодиране на данните.

MIL-STD-1553 е военен стандарт за магистрален последователен интерфейс с централно управление за връзка между електронни устройства. Използва се полудуплексен режим на работа и може да се адресират до 31 отдалечени устройства.

IRIG-106 е стандарт за телеметрични приложения използван най - често в авиационната промишленост. Използването на военни стандарти в телеметричните системи е оправдано, защото телеметрията води началото си главно от военни, космически и комуникационни приложения и защото повечето са с критично значение за обектите, в които се прилагат.

Телематиката
Телематиката означава съвместна употреба на комуникациите и информационните технологии, и на практика означава дистанционно компютъризирано измерване и управление на обекти. Повечето телематични системи включват GPS, GSM и GRSM и използването на подвижни или временни обекти. Интелигентните транспортни системи с вградени приложения от телематиката предлагат по - висока ефективност, комфорт, качество и намаляване на катастрофите в трафика. В част от автомобилите е възможно да се дават устно команди на бордовия компютър относно набиране на телефонни номера, пускане и спиране на музика, включване и изключване на отоплението, извикване на органите на сигурност по безжичната комуникация, обездвижване на автомобила и други действия, които са възможни на благодарение на телематиката.

Тя осигурява дистанционно и безопасно за човека постоянно наблюдение и контрол на процесите в обектите или както може да се запише съкратено контролът е 24/24 или 24/7/365(6). Появи се и термина свързано превозно средство или превозно средство с вградени комуникационни възможности, който е разновидност на терминът интелигентно превозно средство. Съществува и концепцията за бежична кола или кола с вградени интелигентни комуникации, която може самостоятелно или при указания на собственика да комуникира с други превозни средства, фирми или институции. Напр. при катастрофа колата автоматично може уведоми съответните органи и местната служба за бърза помощ. Понастоящем телематиката направи това възможно.

Има фирми, които притежават стотици и дори хиляди превозни средства, опериращи в десетки държави по света. За тях телематиката предлага множество приложения по установяването на местоположението на превозните средства, проследяването, осигуряването на техническа и медицинска помощ, планиране на товаро-разтоварните дейности и др.

При извършване на определени мероприятия в съоръжения свързани с енергетиката като мини, тунели, канали, ядрени реактори, машини помещения, басейни с течности, далекопроводи е добре персонала да е снабден с нови електронни системи следящи жизнените му функции с цел да може да се предпази от инциденти или да се помогне по-бързо в случай на злополука. Телематиката е направила много в това отношение. Използва се в метрото и на високоскоростните влакове на открито.

За транспортът на гориво за електроцентралите и на отработените отпадъци от процесите се изисква не само подходяща инфраструктура, но и дистанционен контрол.

Телеметрията и телематиката са неразделна част от повечето индустриални системи за събиране на данни, следене на процеси, тяхното документиране и управление. Тази област на техниката е средище на множество технологии от електрониката, радиотехниката, съобщителната техника, компютърната техника и високите технологии.