IoT-устройство для контроля датчиков в нефте- и газодобыче
IoT-устройство для контроля состояния объектов нефтегазодобычи имеет несколько вариантов использования и большой потенциал применения в других отраслях.
Датчики используются в нефтегазовой отрасли для контроля состояния оборудования. Эти измерительные приборы должны быть высокоточными, безопасными и надежными для работы в суровых условиях.
Нефть и газ – ценные ресурсы, поэтому высокоточные датчики жизненно важны для отрасли.
Кроме того, объекты нефти- и газодобычи – это места повышенной опасности из-за высокой горючести материалов. Именно поэтому мониторинг состояния нефтегазового оборудования является обязательным.
Нефть и газ – ценные ресурсы, поэтому высокоточные датчики жизненно важны для отрасли.
Кроме того, объекты нефти- и газодобычи – это места повышенной опасности из-за высокой горючести материалов. Именно поэтому мониторинг состояния нефтегазового оборудования является обязательным.
Запрос
Компании-заказчику нужно было разработать устройство Интернета вещей, которое могло бы подключаться к датчикам и контролировать состояние объекта нефтегазодобычи, трубопроводов и резервуаров для нефтепродуктов.
IoT-устройство для датчиков нефти и газа должно иметь модуль сотовой связи, внутреннюю антенну сотовой связи и встроенный акселерометр. Прибор должен иметь возможность получать данные с аналоговых (4-20мА/0-10В) и цифровых (RS-485) датчиков.
Неодимовые магниты должны обеспечивать надежное сцепление устройства с различными поверхностями.
Устройство должно питаться от солнечной панели и аккумулятора подходящей емкости.
IoT-устройство для датчиков нефти и газа должно иметь модуль сотовой связи, внутреннюю антенну сотовой связи и встроенный акселерометр. Прибор должен иметь возможность получать данные с аналоговых (4-20мА/0-10В) и цифровых (RS-485) датчиков.
Неодимовые магниты должны обеспечивать надежное сцепление устройства с различными поверхностями.
Устройство должно питаться от солнечной панели и аккумулятора подходящей емкости.
Решение
Наша задача состояла в разработке IoT-устройства для датчиков нефти и газа и серверной части на базе AWS. Мы разработали аппаратное обеспечение, прошивку и серверную часть для отладки API.
Устройство имеет несколько сценариев использования.
Во-первых, решение Интернета вещей используется для мониторинга работы насосных станций, поэтому имеет встроенный акселерометр. Прибор крепится к насосной станции с помощью высокопрочных неодимовых магнитов.
Встроенный датчик наклона и вибрации фиксирует вибрации оборудования, позволяя специалистам удаленно контролировать работу насоса, фиксировать простои и поломки.
Устройство имеет несколько сценариев использования.
Во-первых, решение Интернета вещей используется для мониторинга работы насосных станций, поэтому имеет встроенный акселерометр. Прибор крепится к насосной станции с помощью высокопрочных неодимовых магнитов.
Встроенный датчик наклона и вибрации фиксирует вибрации оборудования, позволяя специалистам удаленно контролировать работу насоса, фиксировать простои и поломки.
Штанговые насосы
Второй сценарий использования – определение уровня нефти в нефтеналивных баках.
Прибор имеет промышленные интерфейсы для датчиков давления, высоты уровня жидкости и других аналоговых (4-20 мА/0-10 В) или цифровых (RS-485) датчиков. Он также имеет усилитель сигнала датчика с низким уровнем шумов и высоким коэффициентом усиления для обработки сигналов.
Третий вариант использования – подключение устройства к внешнему датчику давления, установленному в трубе, для контроля давления внутри нее и подтверждения отсутствия разрывов.
Модуль nRF9160, используемый в конструкции печатной платы, имеет встроенный GPS-приемник, совмещенный с LTE модемом. Пользователь всегда знает, где находится устройство, получая его координаты.
Решение Интернета вещей не требует внешнего источника питания.
Прибор имеет промышленные интерфейсы для датчиков давления, высоты уровня жидкости и других аналоговых (4-20 мА/0-10 В) или цифровых (RS-485) датчиков. Он также имеет усилитель сигнала датчика с низким уровнем шумов и высоким коэффициентом усиления для обработки сигналов.
Третий вариант использования – подключение устройства к внешнему датчику давления, установленному в трубе, для контроля давления внутри нее и подтверждения отсутствия разрывов.
Модуль nRF9160, используемый в конструкции печатной платы, имеет встроенный GPS-приемник, совмещенный с LTE модемом. Пользователь всегда знает, где находится устройство, получая его координаты.
Решение Интернета вещей не требует внешнего источника питания.
Детали IoT-устройства для нефтегазовой отрасли
На корпусе устройства установлены солнечные батареи для питания и зарядки внутреннего аккумулятора. Таким образом, устройство может работать 24/7. Солнечная панель заряжает батарею и питает прибор днем, а батарея питает его ночью.
Мы выбрали нестандартную аккумуляторную батарею большой емкости со схемой защиты от сбоев для стабильной работы устройства.
Сотовый модуль с антенной обеспечивает связь устройства и позволяет ему отправлять полученные данные в формате JSON через HTTP-запросы в облако AWS.
Мы настроили сервис на Amazon для сбора и просмотра данных JSON, отправляемых с устройств. Пользователи могут проверять и отлаживать приборы на основе собранных данных.
Просматривать собранные данные они могут с помощью стандартного средства просмотра Amazon без графического интерфейса.
Устройство спроектировано с учетом общих ограничений для опасных сред (без дуг, искр и чрезмерного нагрева при работе) с соблюдением правил сертификации.
Наши специалисты использовали сертифицированные модули, чтобы система была подготовлена для прохождения сертификации для работы во взрывоопасных средах.
Мы предоставили заказчику все необходимые документы и прототипы для прохождения сертификации.
Мы выбрали нестандартную аккумуляторную батарею большой емкости со схемой защиты от сбоев для стабильной работы устройства.
Сотовый модуль с антенной обеспечивает связь устройства и позволяет ему отправлять полученные данные в формате JSON через HTTP-запросы в облако AWS.
Мы настроили сервис на Amazon для сбора и просмотра данных JSON, отправляемых с устройств. Пользователи могут проверять и отлаживать приборы на основе собранных данных.
Просматривать собранные данные они могут с помощью стандартного средства просмотра Amazon без графического интерфейса.
Устройство спроектировано с учетом общих ограничений для опасных сред (без дуг, искр и чрезмерного нагрева при работе) с соблюдением правил сертификации.
Наши специалисты использовали сертифицированные модули, чтобы система была подготовлена для прохождения сертификации для работы во взрывоопасных средах.
Мы предоставили заказчику все необходимые документы и прототипы для прохождения сертификации.
Сложности проекта и их решение
Сложность при проектировании печатной платы состояла в том, что она должна соответствовать размерам заводского корпуса, утвержденного заказчиком.
В финальном варианте устройство имеет две печатные платы. В нижней части корпуса размещена шестислойная печатная плата высокой плотности с процессором и всеми компонентами. На боковой грани расположена плата с разъемом для подключения внешних датчиков.
Вторым вопросом было обеспечение энергетического баланса, чтобы устройство могло работать с постоянной подзарядкой в светлое время суток и работать от заряда аккумулятора в темное время суток.
IoT-решение постоянно подзаряжается от солнечной батареи днем с помощью специализированной микросхемы. Аккумулятор большой емкости обеспечивает стабильную работу устройства в темное время суток.
В финальном варианте устройство имеет две печатные платы. В нижней части корпуса размещена шестислойная печатная плата высокой плотности с процессором и всеми компонентами. На боковой грани расположена плата с разъемом для подключения внешних датчиков.
Вторым вопросом было обеспечение энергетического баланса, чтобы устройство могло работать с постоянной подзарядкой в светлое время суток и работать от заряда аккумулятора в темное время суток.
IoT-решение постоянно подзаряжается от солнечной батареи днем с помощью специализированной микросхемы. Аккумулятор большой емкости обеспечивает стабильную работу устройства в темное время суток.
IoT-решение имеет 2 печатные платы.
Выполненные работы
- Проектирование принципиальной схемы и печатной платы
- Сборка и тестирование печатной платы
- Разработка прошивки
- Веб-разработка
Использованные технологии
- Мы использовали Altium Designer для создания принципиальной схемы и дизайна печатной платы.
- Прошивка написана на С/C++ с помощью Eclipse IDE.
- Мы использовали небольшую масштабируемую операционную систему Zephyr RTOS, оптимизированную для устройств с ограниченными ресурсами.
- Мы выбрали компактную, высоко интегрированную, маломощную систему SiP nRF9160-SICA-R7 со встроенным модемом LTE-M/NB-IoT и GNSS.
- Светодиодные индикаторы информируют о режиме работы.
Итоги
Результатом нашей работы стало создание системы IoT для нефтегазодобывающего оборудования.
Встроенный акселерометр позволяет устройству отслеживать наклон и вибрацию насосного агрегата для учета времени его работы.
Получая данные от внешних датчиков давления, установленных на трубопроводе, и датчиков температуры и уровня жидкости, расположенных на нефтеналивных резервуарах, подключенные устройства позволяют персоналу контролировать состояние нефтегазовой инфраструктуры.
Наше решение построено с учетом требований по работе оборудования во взрывоопасной среде и готово к сертификации.
Устройство призвано повысить безопасность и эффективность нефтегазовых объектов.
Встроенный акселерометр позволяет устройству отслеживать наклон и вибрацию насосного агрегата для учета времени его работы.
Получая данные от внешних датчиков давления, установленных на трубопроводе, и датчиков температуры и уровня жидкости, расположенных на нефтеналивных резервуарах, подключенные устройства позволяют персоналу контролировать состояние нефтегазовой инфраструктуры.
Наше решение построено с учетом требований по работе оборудования во взрывоопасной среде и готово к сертификации.
Устройство призвано повысить безопасность и эффективность нефтегазовых объектов.