При эксплуатации нефте- и газопроводов регулярно возникает необходимость связи с устройствами, находящимися внутри трубопровода. Обмен данными с внутритрубным оборудованием применяется для отслеживания очистных скребков и диагностических снарядов при проведении очистных и диагностических работ, для управления внутритрубными герметизаторами при ремонтных работах и т.п.

При этом, получение сигнала от внутритрубного снаряда, находящегося внутри толстостенного металлического трубопровода, связано с большими трудностями. Во-первых, связи препятствует ограниченное проникновение переменного магнитного поля в металлические стенки трубопровода, во-вторых - электромагнитные помехи, генерируемые промышленным оборудованием.

В настоящее время для передачи сигнала с внутритрубного оборудования широко используются низкочастотные передатчики. Большинство передатчиков работают на частоте 21-23 Гц. Выбор такой рабочей частоты обусловлен компромиссом между степенью проницающей способности сигнала, скоростью его передачи и помехоустойчивостью сигнала. На более низких частотах обмен данными происходит неприемлемо долго, а при повышении частоты сигнал в металлической среде быстро затухает (экранируется). Кроме того, при приближении к промышленным частотам 50-60 Гц, резко возрастает уровень помех, ухудшающих качество связи.

Несмотря на эти сложности, технология обнаружения внутритрубных снарядов в настоящее время достаточно хорошо отлажена. На практике чаще всего используется комплект из низкочастотного передатчика и локатора 22Гц.

Но часто такой функциональности оказывается недостаточно. Вот типичный пример. Снаряд с низкочастотным передатчиком запасован в камеру запуска и камера опрессована давлением. В это время по какой-то причине приходит команда на отмену проведения работ. Можно, конечно, оставить снаряд в камере до ожидания команды запуска, но передатчик внутри снаряда уже излучает сигнал, расходуя энергоресурс. Если время ожидания велико или неизвестно, то придется стравливать давление, сливать нефть из камеры запуска, открывать крышку камеры и извлекать запасованный снаряд для замены элементов питания на передатчике. И после этого еще надо провести повторную запасовку снаряда. Работа эта весьма трудоёмкая.

Непроизводительные потери времени и ресурсов можно существенно сократить, если будет возможность после запасовки передавать на внутритрубное оборудование команду на отключение и включение низкочастотного передатчика без извлечения снаряда из камеры. Над совершенствованием приемопередатчика, управляемого через толстостенный трубопровод, и работают сейчас специалисты ООО «АПРОДИТ».

Разработка низкочастотного приёмопередатчика

Основная задача, которую решали наши специалисты при разработке низкочастотного приёмопередатчика - добиться устойчивой передачи команд на фоне электромагнитных помех. Технология разрабатывалась на базе хорошо освоенной нами методики обнаружения низкочастотного передатчика в трубопроводе. В основе технологии лежит алгоритм амплитудно-фазовых манипуляций (АФМ) электромагнитных сигналов сверхнизкой частоты 22 Гц, разработанный в ООО "АПРОДИТ". Для повышения помехоустойчивости управления используются приёмы накопления и фильтрования принятого сигнала, дублирование передаваемой информации и подтверждение принятой команды.

В настоящее время до стадии промышленного применения доведен бортовой (устанавливаемый на чистящий поршень) приёмопередатчик ППНТ-00. Новые функции бортового приёмопередатчика - переход в спящий режим и выход из спящего режима по команде, переданной на частоте 22 Гц с внешнего передатчика, находящегося снаружи трубопровода.

При необходимости экономии энергоресурса бортового приёмопередатчика, находящегося в камере запуска, он переводится в спящий режим командой с внешнего передатчика. Переход в режим с минимальным энергопотреблением (спящий режим) контролируется с помощью низкочастотного локатора, расположенного около камеры запуска. В спящем режиме приёмопередатчик может находиться в камере запуска несколько дней или даже недель, практически без уменьшения времени дальнейшей работы. Перед запуском снаряда необходимо вывести бортовой приёмопередатчик из спящего режима командой с внешнего низкочастотного передатчика. Контроль включения приёмопередатчика производится по наличию сигнала на локаторе, расположенном вне камеры. После этого можно производить пуск снаряда.

Алгоритм управления приёмопередатчиком ППНТ-00

Рис. 1. Бортовой передатчик в режиме излучения.

Рис. 2. Перевод бортового передатчика в спящий режим.

• ППНТ-00 – бортовой низкочастотный приёмопередатчик
• ПНТ-04 – вспомогательный внешний низкочастотный передатчик
• ИК-пульт ДУ - инфракрасный пульт дистанционного управления
• НПР-00 – низкочастотный локатор

Подготовка снаряда к запуску.

1. Приёмопередатчик ППНТ-00 включается в режим излучения «пачками» (периодический сигнал) с помощью ИК-пульта. Контроль излучения ведется с помощью локатора НПР-00: индикаторы на панели локатора светятся. ППНТ-00 устанавливается на скребок, который помещается в камеру запуска.
2. После закрытия камеры управление ППНТ-00 с помощью ИК-пульта становится невозможным. Локатор НПР-00 продолжает регистрировать сигнал, излучаемый ППНТ-00 (см. рис. 1).

Включение спящего режима.

Для перевода в спящий режим необходим дополнительный передатчик ПНТ-04.

1. Передатчик ПНТ-04 располагают параллельно бортовому приёмопередатчику на расстоянии 1-2 метра от камеры пуска.
2. ИК-пультом подают на передатчик ПНТ-04 команду на включение спящего режима на бортовом приёмопередатчике ППНТ-00 (см. рис. 2).
3. Передатчик ПНТ-04 передаёт команду включения спящего режима на частоте 22 Гц (см. рис. 2) и отключается.
4. Приёмопередатчик ППНТ-00, приняв команду от ПНТ-04, переходит в спящий режим и перестаёт излучать сигнал.
5. Приёмопередатчик ППНТ-00, приняв команду от ПНТ-04, переходит в спящий режим и перестаёт излучать сигнал.

Выведение из спящего режима.

1. Передатчик ПНТ-04 располагают параллельно бортовому приёмопередатчику на расстоянии 1-2 метра от камеры пуска.
2. ИК-пультом подают на передатчик ПНТ-04 команду на выведение бортового приёмопередатчика ППНТ-00 из спящего режима.
3. Передатчик ПНТ-04 передаёт команду на выведение из спящего режима на частоте 22 Гц и отключается.
4. Приёмопередатчик ППНТ-00, приняв команду от ПНТ-04, переходит в режим излучения "пачками". Контроль излучения ведется с помощью локатора НПР-00.

После включения приёмопередатчика в режим излучения можно производить запуск внутритрубного снаряда. Чтобы ППНТ-00 случайно не отключился во время движения по трубопроводу из-за помех, в него встроен датчик движения, который делает невозможным переход в спящий режим во время движения по трубопроводу.

В настоящее время в ООО «АПРОДИТ» ведутся работы по внедрению функции передачи амплитудо-фазо-манипулированного сигнала и в низкочастотный локатор НПР-00. В этом случае команды на бортовой приёмопередатчик ППНТ-00 можно будет подавать непосредственно с модифицированного локатора НПР-00 без дополнительного низкочастотного передатчика ПНТ-04.

Возможности и ограничения технологии передачи информации через металлические стенки.

Как было отмечено выше, передача даже простейших команд на частоте 22 Гц через толстые металлические стенки на фоне различных электромагнитных помех является непростой задачей. Технология низкочастотной передачи имеет ряд ограничений. По сложности и длительности передачи сигнала ее можно сравнить с управлением луноходом с Земли. Скорость передачи данных через металлические стенки чрезвычайно низкая. Передача одной команды и подтверждение её получения занимают несколько секунд. Такая задержка обусловлена несколькими причинами. Во-первых, низкой частотой несущего сигнала - всего 22 колебания в секунду. Во-вторых, между приёмом и передачей сигнала должна быть пауза для затухания колебаний в тракте приемо-передающей антенны. В-третьих, сигнал может быть нарушен из-за внешней помехи, и потребуется дублирование команды. В результате типичное время передачи одной команды на частоте 22 Гц и подтверждение её получения занимает порядка секунды. А на фоне сильных электромагнитных помех - до десяти секунд. Поэтому во время передачи команды оба прибора должны быть неподвижны друг относительно друга. Рассчитывать на обмен информацией между неподвижным передатчиком, расположенным на поверхности, и внутритрубным снарядом, который проходит на скорости 5 м/с по трубопроводу, пока не стоит.

Низкочастотный приёмопередатчик способен передавать или принимать через металлическую стенку трубопровода лишь ограниченный набор простых команд и сигналов. В подавляющем большинстве случаев этого вполне достаточно. Например, можно узнать уровень заряда аккумуляторных батарей или передать статус включен-выключен для какой-либо подсистемы внутритрубного снаряда.

Перспективы развития технологии.

У технологии передачи информации через металлический трубопровод есть и другие сферы применения, например управление снарядами-герметизаторами трубопровода непосредственно через металлическую стенку трубы: Smart Plug компании TDW или Tecno Plug компании Stats Group. Управление этими снарядами для ремонта нефте-газопроводов осуществляется с помощью так называемой системы Smart Track, в основе которой лежат приёмопередатчики, работающие на частоте 22 Гц.

Задачи передачи информации через стенку трубопровода могут возникнуть и при управлении автономными диагностическими приборами, которые обследуют газопроводы-шлейфы на компрессорных станциях магистральных газопроводов, или при обследовании различных трубопроводов на атомных станциях во время их ремонта.

Технология может использоваться для передачи команд через стенки трубопроводов, приемных камер, резервуаров хранения нефтепродуктов или железобетонные стенки зданий и бункеров.