Применение волоконно-оптических датчиков в Структурированных системах мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений

Применение волоконно-оптических датчиков в Структурированных системах мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений

Ключевые слова: Волоконно-оптический датчик (ВОД), АСУ, АСУ ТП, СМИС, СМИК, СУКС, мониторинг, автоматизированные системы управления, датчик.

Введение

В структурированных системах мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений зачастую возникает вопрос о способах получения информации о состоянии контролируемых объектов. Существующие системы автоматизации и диспетчеризации на объекте не всегда могут предоставить необходимую информацию о состоянии объектов контроля. В этих случаях встает вопрос об использовании в СМИС своих источников информации, которые зачастую приводят к дополнительным материальным затратам. Встает вопрос не только о количестве, качестве, но и о принципе действия датчиков, влияния на них внешних условий, электромагнитной совместимости, охватываемому объему мониторинга.

Принцип действия волоконно-оптических датчиков, варианты их применения, преимущества перед классическими датчиками, пример использования ВОД.

Принцип действия любого волоконно-оптического датчика заключается в изменении входного и выходного сигнала (свет, лазерное излучение) под действием внешних физических величин. Именно по изменению характеристик светового потока внутри волокна можно судить о воздействующих на него физических величинах.
Такими физическими величинами могут быть:

  • давление;
  • температура;
  • ускорение;
  • различные электрические параметры и др.

Само по себе оптическое волокно в таких устройствах является лишь составной частью датчика, обеспечивая прохождение сигнала. Основную же работу выполняют передатчик и приемник, на основе анализа информации с которых и делается вывод об изменении проходящего светового луча. Такие устройства высокотехнологичны, сложны в изготовлении, имеют высокую степень защиты прежде всего от электромагнитного излучения, что в конечном итоге сказывается на конечной стоимости продукта.

Тем не менее, невосприимчивость к внешним электромагнитным воздействиям делает ВОД чрезвычайно эффективными в условиях промышленных и энергетических объектов, позволяя получать актуальную информацию о контролируемых физических величинах, исключив негативное влияние помех.

Кроме того, немаловажную роль играет и объем, охватываемый одним ВОД. Имеются в виду линейные датчики, осуществляющие контроль и мониторинг физических параметров линейного объекта. Примером такого датчика может служить мониторинг температуры линейного объекта. Определение температуры на всей протяженности объекта ведется на основе эффекта Рамана. В настоящее время существуют готовые системы для реализации этой задачи. Вдоль объекта на всей его протяженности протягивается оптическое волокно. Передатчик генерирует лазерное излучение с определенными характеристиками, которое поступает в приемник, где проводится анализ произошедших в нем изменений. Получившийся результат представляет собой график изменения температуры объекта по всей его длине, а не в конкретных точках, что позволяет выявить критическое отклонение температуры в определенном месте с высокой точностью. Данный способ обладает массой преимуществ по сравнению с классическими методами измерения температур линейных объектов, охватывает объект целиком и с учетом протяженности объекта дает определенный экономический эффект.

Ввиду особенностей функционирования, а также назначения подсистемы СУКС, применение в ее составе не только волоконно-оптических, но и других видов датчиков крайне ограничено. Исходя из этого, рассмотрение подсистемы СУКС в контексте использования ВОД в рамках данной статьи исключается.

Волоконно-оптические датчики в системе сбора данных и передачи сообщений (ССП) СМИС.

Одной из ключевых проблем СМИС является необходимость и целесообразность и/или возможность получения информации из собственных источников (датчиков).
В ССП СМИС существует множество вариантов применения волоконно-оптических датчиков. В зависимости от типа объекта и его оснащенности это может быть измерение давления, температуры, различных электромагнитных характеристик и др.

Камнем преткновения в вопросе применения волоконно-оптических датчиков в ССП СМИС является вопрос оснащенности объекта автоматизированными системами.
Согласно [1] допускается производить мониторинг дестабилизирующих факторов через существующие аппаратно-программные средства объекта, однако сопряжение с комплексами диспетчерского управления производственными процессами, безопасностью и жизнеобеспечением объектов запрещено. Данные положения вносят некоторую неопределенность в процесс разработки СМИС. Перед разработчиком стоит дилемма: с одной стороны сопряжение с комплексами диспетчерского управления запрещено, с другой стороны в 90 процентах случаев недопустимо использовать источники информации, по сути дублирующие существующие аппаратные средства. К тому же не всегда есть возможность внедрения в технологические или другие системы проектируемого объекта. Выходом из данной ситуации является получение информации через существующие аппаратно-программные средства объекта в одностороннем порядке, исключив какие либо воздействия на автоматизированные системы объекта.

Смоделируем ситуацию. Крупный промышленный объект с развитой инфраструктурой автоматизированных систем. Разработчик в своих решениях по оснащению ССП СМИС данного объекта использует волоконно-оптические датчики (с условием возможности и/или необходимости их использования). Стоит заметить, что величина издержек на ВОД значительно выше издержек на аналогичные датчики традиционных принципов действия, однако и качество получаемой информации с данного вида датчиков несравненно выше. В итоге получается, что информация, поступающая с ВОД используется только для нужд ССП СМИС. Логично, что в данном случае использование столь дорогостоящего оборудования в рамках только одной подсистемы экономически нецелесообразно и разработчик зачастую вынужден отказаться от использования ВОД в пользу классических методов сбора информации, одновременно тем самым оптимизируя издержки.

В итоге получается, что перспективы внедрения передовых технологий на объекте и формирование единого информационного поля оказываются невозможными из-за ограничений нормативно-правовой базы. Однако не стоит относиться к этому сугубо отрицательно. Существуют объекты, на которых данное требование критически важно, где производственный процесс чрезвычайно сложен и любое вмешательство в него грозит возникновением чрезвычайной ситуации. В любом случае для каждого конкретного объекта необходим четкий и углубленный анализ возможностей использования конкретного типа оборудования, исключая формальный подход.

Волоконно-оптические датчики в СМИК.

Если для ССП СМИС проблема получения информации из собственных источников более-менее решаема, ввиду присутствия на многих промышленных объектах различных систем высокой степени автоматизации (АСУ ТП и др.), то для СМИК данный вопрос открыт всегда.
Сама структура подсистемы СМИК исключает любое взаимодействие и получение данных из сторонних источников или существующих аппаратно-программных средств объекта.
Обобщенная структурная схема СМИК (без учета специфики конкретного объекта) представлена на рисунке 1 (структурная схема СМИК взята из технического пособия СМИС, разработанного ООО «ЦентрПроектЗащита»).


Исходя из данной структурной схемы можно увидеть, что применение волоконно-оптических датчиков имеет огромные перспективы для нужд СМИК: это различные датчики давления, деформации, нагрузки арматуры, а также волоконно-оптические инклинометры.

Применяемые сегодня датчики имеют стоимость, сравнимую с ценой волоконно-оптических аналогов. Кроме того, неоспоримое преимущество волоконно-оптических датчиков в плане невосприимчивости к электромагнитным воздействиям играет решающую роль в вопросе об их применении.

Другим неоспоримым преимуществом оптического волокна является расстояние, на которое может передаваться информация. Ведь зачастую объектами мониторинга со стороны СМИК являются сложные, массивные и протяженные конструкции, здания, фундаменты. Для организации мониторинга таких объектов могут понадобиться сотни, тысячи точек контроля и измерений, каждая из которых имеет немалую стоимость. Используя волоконно-оптические датчики можно получить непрерывный график состояния объекта на всей его протяженности по той или иной физической характеристике с большой точностью, как по параметру, так и по месту. Охват разнесенных на местности объектов дает неоспоримые преимущества по сравнению с другими типами датчиков, в то же время являясь более простым способом с точки зрения монтажа и организации сбора информации.
 
Заключение

Представленный в статье анализ возможностей и вариантов применения волоконно-оптических датчиков в СМИС приведен с целью ознакомления читателя с перспективными принципами получения информации и продвижения идеи широкомасштабного внедрения данных технологий в проектирование не только СМИС, но и любых других информационных и автоматизированных систем.

Кроме того, стоит заметить широкое применение волоконно-оптических датчиков и различных устройств в проектировании и строительстве различных промышленных и гражданских объектов.
Возможно прочитав данный материал, разработчики систем обратят свой взор в сторону перспективных идей и разработок, в том числе и отечественного производства.

Список литературы

  1. ГОСТ Р 22.1.12-2005. Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Структурированная система мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений. Общие требования.    ГОСТ Р 22.1.13–2013 «Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Мероприятия по гражданской обороне, мероприятия по предупреждению чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера. Структурированная система мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений. Требования к порядку создания и эксплуатации».
  2. ГОСТ Р 22.1.14–2013 «Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Комплексы информационно-вычислительные структурированных систем мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений. Технические требования. Методы испытаний».
  3. ГОСТ Р 22.1.15–2014 «Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Технические средства мониторинга чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера. Классификация. Общие технические требования».

Калинин Виктор Иванович,
инженер-проектировщик I категории отдела АСУ ТП ООО «ЦентрПроектЗащита»
info@safetycenter.ru