بخشی از مقاله
مانيتورينگ لوله هاي نفت و گاز با استفاده از شبکه هاي حسگر بيسيم -remong
چکيده
پيشرفت در حوضه تکنولوژي هاي ارتباطي سيستم هاي توکار(embeded) نيازهاي صنعتي را به وجود آورده اند، که به انجام خودکار وظايف و کنترل بيشتر نياز دارند. پيشرفت سريع در پردازش داده ها ،فناوري ارتباطات بيسيم ، تکامل سيستم هاي ميکروالکترومکانيکي ، هوش کسب و کار، فرايند برنامه ريزي و کنترل ، فرصتي را براي بهبود در همه زمينه هاي شيوه هاي صنعتي مربوط به فرايند نفت و گاز ايجاد کرده است .مانيتورينگ مطمعن از راه دور توسط اتاق هاي کنترل براي خصوط حمل نفت و گاز با توجه به طول و فاصله طولاني آن يک چالش مهم است .در اين مقاله ما يک راه حل را بر اساس شبکه هاي حسگر بيسيم براي خطوط لوله نفت و گاز با تمرکز بر روي حسگرهاي نشتي و ارتباط بيسيم داده ها رائه مي کنيم .سيستم به طور ستقل توسعه يافته و گزارش هاي آماري مربوط به امتداد لوله را روي مناطق جغرافيايي وسيع فراهم مي کند.
کلمات کليدي : مانيتورينگ ، شبکه هاي حسگر بيسيم ، مانيتورينگ لوله هاي و نفت و گاز.
١ -مقدمه :نظارت متمرکز از تاسيسات نفت و گاز و لوله ها از مدت ها پيش بوده است .اين مشکل نه تنها از طول زير ساخت لوله ها ، بلکه از زمين سخت و محيط زيست مي آيد.هر چند تکنيک هاي مختلف براي نظارت بر لوله ها پيشنهاد شده است .(wsn)
شبکه هاي حسگر بيسيم به علت سرعت پيشرفت در زمينه فناوري شبيه :حسگرها،پروتکل هاي ارتباطي سرعت پرازنده ها ، جمع آوري انرژي power و سيستم هاي embeded داراي تحولاتي هستند که به تدريج در صنعت نفت و گاز براي کنترل بيشتر و براي قدرت بخشيدن به سيستم به تصويب رسيده اند.صنعت نفت و گاز از تکنولوژي پيشرفته اي بهره منداست اعم از ريز سنسورهاي محرک براي به کار انداختن و ابزار از ابزار دقيق در مقياس کوچک تا اتوماسيون صنعتي در مقياس بزرگ .به تازگي شبکه هاي حسگر بيسيم شروع به نقش آفريني در صنعت نفت و گاز کرده اند.ممکن است نودهاي حسگر در مسير سخت خط لوله آسيب ببينند يا تحت حوادث فاجعه بار نظير زلزله ، انفجار يا حملات مرتبط با شبکه يا حتي کاهش نيروي برق power ; پس بايد براي طراحي نودها اين عوامل را در نظر گرفت .از آنجا که بخش نفت و گاز به شـــدت متکي بر لوله هاي اتقال جهت توزيع اســـت ، نياز به مانيتورينگ و اندازه گيري براي هر نشـــتي ، خرابي يا خطرات بالقوه در زمان واقعي دارند. بدون اين اندازه گيري ها يک نشتي مي تواند هر دو خسارت مالي و زيست محيطي را داشته باشد.
٢ -راه حل remong :مانيتورينگ لوله هاي نفت و گاز فرايند پيچيده اي است و نياز به يک راه حل که نه تنها تغييرات لحظه اي را در جهت جريان لوله ها حس کند، بلکه گزارشات قابل اعتماد هر رويداد را به ايستگاه مرکزي راه دور در کمترين زمان ممکن ارسال کند. راه حل remong جنبه هايي از sensing مطمعن را براي انتقال رويدادها به صورت بيسيم در يک روش امن در حالي که بهره وري به طور طبيعي و با قدرت بالا در يک platform مناسب توسعه داده شده است . سيستم براي برقراري ارتباط از ماژول هاي zigbee که مي تواند به يک کانکتور ١٠ پين استاندارد UART منتقل شود استفاده مي کند. يک رابط صفحه نمايش Lcd براي تعامل کاربر با صفحه نرم افزاري و تعيين پارامترهاي تنظيم پذير ايجاد و يک شتاب سنج دقيق براي مانيتورينگ خط لوله روي برد مستقر شده است .برد منبع تغذيه داراي باتري قابل شارژ است و يک برد حسگر بيسيم در يک روش مصرف انرژي موثر براي زمان اجراي طولاني به همراه به حداقل رساندن هر منبع نشتي درجريان لوله .بوردهاي حسگر بيسيم براي کار درصنعت در محدوده دماي (c تا c-).بورد سنسور بيسيم در اطراف يک ميکروکنترلر طراحي شده است که چندين IC و رابط از طريق پروتکل هايي به هم متصل شده اند که در شکل (١و٢) مشاهده مي کنيد.
A. ميکروکنترولر:
يک ميکروکنترلر ٣٢ بيت با کارايي بالا با هسته عملياتي RISK در يک فرکانس تا mhz ١٦٠ استفاده شده است .ميکروکنترلر داراي يک حافظه سرعت بالاي تعبيه شده و طيف گسترده اي از I.O هاي افزايشي و لوازم جانبي مي باشد.داراي يک مجموعه از حالت هاي صرفه جويي شامل sleep و hibernate براي فرستنده گيرنده است که اجازه مي دهد برنامه مانيتورنگ با انرژي کم اجرا شود.
B. واسط کاربردي ويژه سنسور:
يک سنسور دما و فشار براي اندازه گيري دما و فشار جريان لوله استفاده مي شود. سنسور انتخاب شده به خصوص براي پارامترهاي محيطي نفت و گاز طراحي شده است .برق مورد نياز در v٥ و ma٢٥(حداکثر v) نگه داشته مي شود.اين سنسورها مي توانند با
استفاده از ٤٨٥-rs يا ٢٣-rs يا رابط SPI ارتباط برقرار کنند.ماژول ارتباطي :يک پروتکل zigbee مبني بر ماژول براي ارتباطات بيسيم استفاده مي شود. ماژول هاي ارتباطي براي فرستنده ، گيرنده داراي يک رابط ١٠ پين استاندارد مي باشد و آخرين فرستنده گيرنده استاندارد zigbee مي تواند يک طيف وسيعي از m٣٢٠٠ (miles٢ )در فضاي outdoor و به صورت indoor از ٩٠ متر
(٣٠٠فوت ) قدرت را در dbm١٨ مخابره کنند و حساسيت گيرنده dbm١٢٠- مي باشد.
C. صفحه نمايش :
يک صفحه نمايش مقاومتي thin-fil transistor(TFT )و LCD مي باشد که براي تعامل با کاربر مي باشد يک صفحه
pixel٣٢٠*٢٤٠ با نور پس زمينه رنگ سفيد که مي تواند در دماي ٧٥-تا c٧٠ درجه سانتيگراد کار کند.
D. منبع تغذيه :
باتري قابل شارژ براي اتقال قدرت به بورد حسگر بيسيم . A٢ سلول v٧٤ باتري تيتانيوم با يک ظرفيت بالا از ١٣٥٠٠٠ ميلي آمپر استفاده مي کند.
در شکل ٢ يک بستر آزمون خط لوله براي تاييد آزمايش نشان داده شده است .در شکل ٢ شبکه خط لوله به طول ١.١٤ متر Gi
قطر داخلي لوله ٢ اينچ در يک مکان افقي قرار داده شده است .مخزن آب به عنوان مخزن تامين مايع استفاده مي شود.اين خط لوله ها به مخزن آب متصل شده اند و يک موتور الکتريکي براي ايجاد جريان آب در شبکه خط لوله مي باشد چهار سوپاپ در طرح
خط لوله براي ايجاد نشتي مصنوعي وجود دارد مبدل فشار مي تواند در هر محل از خط لوله نصب شود.
شکل ١:برد ميکروکنترولر حسگر remong با لوازم جانبي و رابط ها
شکل ٢:بستر آزمون خط لوله براي راه حل مانيتورينگ و براساس remong.
فشار جمع آوري شده عملي از آزمايش در شکل ٣ ارائه شده است . اين نمونه ها که در يک فرکانس نمونه اي مختلف در hz٥٠٠ تا hz٩٠٠ جمع آوري شده است .به نظر مي رسد دامنه سيگنال به دليل نشتي دچار زوال مي شود.اگرچه هنگامي که اندازه نشتي بسيار کوچک و آهسته است براي پيدا کردن نشتي با زوال سيگنال در روش مجازي کار آساني نيست و الگوريتم هاي يادگيري هستند که براي اين منظورتوسعه يافته اند.مجموعه اي از آزمايشاتي براي جمع آوري فشار با اندازه هاي مختلف نشتي انجام شده است .نشتي هاي متفاوت توسط باز کردن دريچه تا ٢٥% ، ٥٠% و ٧٥% و باز کردن به طور کامل شير اندازه گيري شده اند.الگوريتم هاي تشخيص نشتي روي اين روش به صورت توزيع شده اجرا شده اند. اين الگوريتم از سيگنال هاي توليد شده قوي در هر دو حوضه زمان و فرکانس استفاده مي کند.نتايج مربوط به نشتي در جدول زير با دقت ٩٠% نشان داده شده است .يک مقايسه اي بين انواع مختلف سيگنال براي کشف نشتي انجام شده است و بيشترين واقعه را در ميان سيگنال هاي کانديد انتخاب
مي کند.{١٧}
جدول ١:نتايج تشخيص نشتي براي سيگنال هاي HARR,sym و Daubechies
شکل ٣:رديابي يک فشار مايع آزمايشي همراه با نشتي
٣ -مسيريابي و ارتباط داده ها :رابط هاي ارتباطي UART مي توانند با استاندارد zigbee يا فرستنده گيرنده dash٧ که در طيف فرکانس ghz٢٤ يا mhz٤٠٠ انتقال مي دهد. هر دو پروتکل اجازه مي دهند داده با نرخ kbps٢٥٠ سيگنال متناوب يا پريوديک با طول عمر زياد باتري و ارتباط امن انتقال يابد. با استفاده از الگوريتم هاي امنيتي توليد شده در حال حاضر با استفاده از کليد رمزنگاري ١٢٨ بيتي فاصله اتقال ممکن است از ١٠ تا نيم کيلومتر بسته به خط ديد و ويژگي آنتن باشد.لايه شبکه اجازه مي دهد توپولوژي mesh و star ايجاد شود. چندين نوع نود شامل هماهنگ کننده ، مسيرياب ، و نود پاياني تست شده است .پروتکل اجازه مي دهد عمل beacon و non‐beacon و مکانيزم دسترسي به کانال csma.ca انجام شود.کار اصلي لايه ارتباطات شامل ايجاد اشياء داده و کنترل زير لايه mac و مسيريابي با استفاده از AODV و انواع آن است .زير لايه پشتيبان کاربردي (aps) به عنوان قسمتي از برنامه اصلي که روش هاي کنترل را ارائه مي دهد و رابطي است تا هنگامي که به عنوان پلي بين لايه شبکه و ديگر اجزا کار مي کند. انتقال mhz dash٤٣٣ به محدوده چندين کيلومتر با زمان تاخير کم براي نودهاي سيال و حداکثر نرخ داده kbps٢٠٠ استفاده از mhz٤٣٣ سنسورها را در برابر نفوذ در بتن و آب مقاوم مي کند، با قابليت دريافت سيگنال در محدوده بزرگتر هماهنگ کننده نودهاي حسگر نياز به انتخاب هر دو صورت ٦٤ بيتي و يا يک PAN ID در يک قالب ١٦ بيتي دارد به علاوه يک کانال براي انتقال .فرستنده zigbee و گيرنده در يک قالب ٦٤ بيتي آدرس mac مجزا تعيين شده است .هنگامي که يک نود به شبکه متصل مي شود. يک آدرس ١٦ بيتي که به وسيله هماهنگ کننده اختصاص داده مي شود استفاده شده است . اين آدرس اجازه مي دهد بسته ها در شبکه ارسال شوند همچنين سربار هم کاهش مي دهد. يک رشته ascii از ٢٠ حرف است بنابراين به عنوان يک شناسه نود که اجازه به شناسايي مي دهد در سطح کاربردي ١٦ مجموعه از کانال ها در محدوده ghz٢٤٨٠‐٢٤٠٠ که يک پهناي باند فرکانس مرکز به مرکز mhz٥ مي باشد انواع گره هاي مختلف در داخل شبکه با يک نوع دستگاه تعيين کننده هويت شناسايي مي شوند. حالت هاي پايه انتقال شبکه شامل broadcast، unicast و انتقال clastering مي باشد. انتقال clastering به عنوان يک جريان انتقال کاربردي ميان خوشه و نود پاياني مي باشد. حداگثر اندازه payload بسته در شبکه حسگر ٢٥٥ بايت يا کمتر بسته به رمزنگاري مي باشد.محدوده سطح قدرت از ٠ تا ٢ مگاوات در مراحل گسسته است .درباره انتقال داده ها، قدرت سيگنال دريافتي RSSI يک عامل مهم است که قدرت سيگنال آخرين RF دريافتي بسته ها را تعيين مي کند. گره هماهنگ کننده از يک جستجوي کانال perior براي به حداقل رساندن تداخل کانال استفاده مي کند.scan کانال در حدود ms١٢٢٠٨٨ بسته به شرايط طيف محيط خارجي روي ساختار خط لوله مي باشد.که با فواصل مختلف در جدول (٢) آزمايش شده است .آنتن همه جهته با حساسيت کم براي تعيين حداقل محدوده دامنه سيگنال استفاده شده است .
جدول ٢:آزمايش فاصله vs. RSSI براي فرستنده گيرنده zigbee در فضاي آزاد و محيط لوله
