IoT-устройство для контроля состояния объектов нефтегазодобычи имеет несколько вариантов использования и большой потенциал применения в других отраслях.

Контроль работы насосов через встроенный акселерометр

Мониторинг инфраструктуры в реальном времени

Готовность к работе во взрывоопасной среде

Введение

Нефть и газ – ценные ресурсы, поэтому высокоточные датчики жизненно важны для отрасли.

Датчики используются в нефтегазовой отрасли для контроля состояния оборудования. Эти измерительные приборы должны быть высокоточными, безопасными и надежными для работы в суровых условиях.

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 должно иметь модуль сотовой связи, внутреннюю антенну сотовой связи и встроенный акселерометр.

Обеспечить получение данных с аналоговых (4-20 мА / 0-10 В) и цифровых (RS-485) датчиков.

Неодимовые магниты должны обеспечивать надежное сцепление устройства с различными поверхностями.

Реализовать систему питания от солнечной панели и аккумулятора подходящей емкости.

Задачи

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.

Первый сценарий

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

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 сценарий

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.

Составные части подключенного устройства для оборудования нефте- и газодобычи

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.

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 устройстве имеются две печатные платы - большая с процессором и всеми компонентами и маленькая с разъемом для внешних датчиков.

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

Altium Designer

для создания принципиальной схемы и дизайна печатной платы.

Eclipse IDE

для написания прошивки

Zephyr RTOS

в качестве масштабируемой операционной системы реального времени, оптимизированной для устройств с ограниченными ресурсами.

nRF9160 SiP (System-in-Package)

в качестве основной компактной и высокоинтегрированной системы: маломощный чип со встроенным модемом LTE-M/NB-IoT и GNSS.

Светодиодные индикаторы

для информирования пользователя о текущем режиме работы устройства.

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.

Связаться с нами

Оставьте контактные данные, и мы свяжемся с вами в ближайшее время