Диссертация (Проектирование устройств автономного электропитания сенсорной телекоммуникационной системы мониторинга состояния газотранспортных сетей), страница 16

МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОНОМНЫХУСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ БЕСПРОВОДНОЙСЕНСОРНОЙ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ СЕТИРАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОНОМНЫХ4.1УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ БЕСПРОВОДНОЙСЕНСОРНОЙ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ СЕТИРазработанныевдиссертационнойработемодельустройстваэлектропитания, алгоритмы функционирования, модель расчета надежности, атакже существующие программные комплексы моделирования и проектированияэлектро- и радиотехнических устройств позволили разработать инженернуюметодику проектирования автономных устройств электропитания элементовбеспроводной сенсорной телекоммуникационной сети, представленной нарисунке 4.1.

Данная методика включает в себя этапы определения состава иструктуры детектора утечки метана, разработки приемо-передающего модуля,разработки системы электропитания (А1, А2, А3), а также этап проверкисоответствия требованиям по надежности (А4).Предлагаемая методика дополняет классическую методику проектированияЭСипозволяетпредусмотретьрядмероприятий,повышающихэнергоэффективность устройства за счет учета специализированных особенностейтребуемых условий эксплуатации.-123Результатомданнойинженернойметодикиявляетсяпроектно-конструкторская документация на разработку беспроводного сенсорного модуляБСТС мониторинга состояния магистрального газопровода.

Данная документациявключает в себя описание электрической схемы устройства, алгоритмыфункционирования системы электропитания и приемо-передающего модуля,тепловые,механическиеисхемотехническиемодели,рекомендациипоразмещению беспроводных модулей.Рисунок 4.1 - Укрупненная методика проектирования АУЭП элементов БСТСсистемы мониторинга магистральных газопроводовЭтап по определению структуры и состава детектора утечки метанапредставлен на рисунке 4.2.1. Выбор типа детектора утечки газа (А11).

Проводится анализ имеющейсябазы данных и, исходя из конкретных заданных условий по географическим иметеоусловиям, определяется ряд наиболее подходящих вариантов ДУМ. Графикраспространения концентрации облака утечки газа зависит от таких параметров,-124как: скорость и направление ветра, геометрия места утечки из газопровода (влияетна скорость выброса вещества), рельефа местности и состояния атмосферы.Расчет концентрации газа производится по формуле (4.1). Так как геометрияместа утечки газа является вероятностной величиной, то только скорость инаправление ветра, рельеф местности и состояние атмосферы зависят отконкретных географических и метеоусловий.Рисунок 4.2 - Лист А1. Определение структуры и состава ДУМ (r  ut )2 QC ( x, t ) exp   (4.1),(2 )3/2  x2 x где Q - скорость выброса вещества, г/с;u - скорость ветра, м/с; x - горизонтальная дисперсия.2.

Зная координаты планируемого места расположения ДУМ, используястатистические метеосправочники по данному региону, определяется средняяскорость в заданной местности, а также значение горизонтальной дисперсии.-1253. Затемопределяетсярасстояние,накотороеразойдетсяоблакомаксимальной концентрации газа D.4.

После чего для первичной минимизации стоимости выбранных детекторовпроводится их проверка на способность улавливать концентрацию газа, непревышающую максимальную, то есть на выполнение условия (4.2):C d Cmax (4.2).Из предложенных ДУМ выбирается один детектор, имеющий минимальноеэнергопотребление.5. Поформулам(2.21)выполняетсяопределениепредельныхточекразмещения ДУМ (А12):- от магистрального газопровода;- между ближайшими ДУМ вдоль магистрального газопровода.6.

Зная протяженность выбранного участка магистрального газопровода L поформуле (4.3) определяется минимальное количество ДУМ, для обеспеченияполного покрытия всего участка:Nmin  L / H max (4.3).7. Выбирая детекторы с разной чувствительностью (что приведет к изменениюих общего количества) необходимо добиться минимальной стоимости системыдетекторов при максимальной надежности, то есть выполнения рекомендаций поуменьшению стоимости и увеличению надежности.Этап разработки приемо-передающего модуля (А2) представлен на Рисунке4.3 и состоит из следующей последовательности действий:1. Формулирование требований к ППУ (А21). На первом этапе необходимо,исходя их технического задания на разработку модуля беспроводной сенсорнойсети и имеющихся данных по ДУМ, определиться с основными требованиями,предъявляемыми к данной системе мониторинга в части разработки приемопередающего модуля.

Требования должны включать в себя: радиус действия,стоимость, надежность, потребляемую мощность в разных режимах работы ППУ,-126массогабаритные показатели. При формулировании требований следует учестьтакие факторы, как:- географические и метеорологические особенности заданного регионаразмещения беспроводного сенсорного модуля: рельеф местности, колебаниятемпературы, среднемесячный уровень осадков, наличие поблизости источниковсильныхэлектромагнитных помех.

Результат–определение требуемогочастотного канала для передачи данных между модулями, максимальнойдальности действия, надежности радиоканала и всей телекоммуникационной сетив целом.Рисунок 4.3 - Лист А2. Разработка приемо-передающего модуля-техническиеусловиянаразработкуэлектрорадиоизделия(ЭРИ):номинальные данные и характеристики элементов. Результат – определениемассогабаритных показателей, надежность устройства и телекоммуникационнойсистемы в целом.- соответствие внутренним требованиям организаций, эксплуатирующимгазотранспортныесистемы,предъявляемымксистемаммониторингаипередачи/обработки данных.2.

Затем следует внести изменения в предложенный в главе 3 алгоритмфункционирования приемо-передающего модуля, основываясь на конкретных-127заданных требованиях (А22). Используя существующие протоколы передачиданных, применяющиеся в компаниях, эксплуатирующих газотранспортныесистемы, при организации канала связи в беспроводных сенсорных сетях(WirelessHART, Zigbee и др.), необходимо выбрать наиболее подходящий длязаданного региона с учетом его рельефных и метеоусловий, внутреннихстандартов компаний в части шифрования данных, а также распространенностьподдерживающих данные протоколы устройств.3. Схемотехническое и конструкторское проектирование (А23) заключается впроектировании приемо-передающего устройства, основываясь на заданныхтребованиях по режимам и условиям работы, массогабаритным показателям,алгоритмамфункционированиясучетомвыполнениятребованийилирекомендаций по повышению энергоэффективности, надежности и минимизацииэкономических расходов, а также внутренних стандартов качества и надежностизаинтересованныхиспользованиемкомпаний.Данноеспециализированныхпроектированиепрограммныхпроводитсякомплексовсдлясхемотехнического, теплового и механического моделирования.Этап разработки системы электропитания (А3) представлен на рисунке 4.4 исостоит из четырех основных блоков.Рисунок 4.4 - Лист А3.

Разработка системы электропитания-128-1.Блок формулирования требований к системе электропитания (СЭП)(А31) заключается, аналогично блоку А21, в определении основных требований,предъявляемыхкпроектированиюСЭПвчастиповышенияееэнергоэффективности и надежности. При разработке требований к СЭПнеобходимо учитывать:- разработанное схемотехническое решение приемо-передающего модуля дляих оптимального объединения и функционированияв составе единогобеспроводного автономного устройства;- географическиеиклиматическиеусловиярегионаразмещениябеспроводного модуля;- внутренние стандарты организаций, эксплуатирующих газотранспортныесистемы;- максимально требуемое время работы системы только от аккумулятора;- максимальное время восстановления полного заряда аккумулятора за счетпоступления электрической энергии от автономных источников питания.2.

Выбор источника электропитания (ЭП) (А32). Выбор источника ЭПзаключается в определении типа и параметров, наиболее подходящих подзаданные технические требования источника электропитания беспроводногомодуля системы мониторинга:- выбор типа преобразователя солнечной энергии в электрическую.

Как былоописано в предыдущих главах, для данной задачи целесообразнее использоватьсолнечную панель. Таким образом, требуется выбрать тип солнечной панели и ееразмер, позволяющие обеспечить достаточное количество энергии для полногозаряда аккумулятора и питание полезной нагрузки в течение заданногопромежуткавременипринаиболеехарактерныхдляданногорегионаклиматических условиях;- выбор преобразователя энергии ветра в электрическую – ветрогенератор.Проводится выбор типа ветрогенератора и его размеров (диаметр лопастей) такимобразом, чтобы его выходные электрические параметры позволили обеспечить-129достаточное количество энергии для полного заряда аккумулятора и питанияполезной нагрузки в течение заданного промежутка времени при наиболеехарактерных для данного региона климатических условиях;-выбортипааккумулятора.Проводитсявыбортипанакопителяэлектрической энергии – аккумулятора, рабочие характеристики которогосоответствуют требуемым режимам работы (количество циклов заряда-разряда,скорость саморазряда и др.), соответствующим данной местности климатическимусловиям окружающей среды (температурный режим работы).

Емкость инапряжениеаккумуляторавыбираются,исходяизтребуемоговремениавтономной работы и уровня рабочих напряжений солнечной панели иветрогенеротора.3. Алгоритм системы ЭП (А33). Алгоритм работы системы ЭП долженобеспечить непрерывный заряд выбранного типа аккумулятора в соответствии сего зарядной характеристикой. Поэтому требуется внести соответствующиеизменения по уровням напряжения и управления ШИМ в предложенный в главе 3алгоритм, а также объединить работу системы управления ЭП и ППУ –согласовать формат сигнала от микроконтроллера модуля управления ЭП к ППУдляизменениярежимаегоработыи,следовательно,повышенияэнергоэффективности системы в целом.4.Схемотехническоеиконструкторскоепроектирование(А34).Всоответствии с выбранными типами ветрогенератора, солнечной панели иаккумулятора вносятся изменения в схему управления ЭП: выбор номиналов ихарактеристикэлементов,согласованиеуровнейнапряженийипотоковмощности. Учет климатических условий данной местности и внутреннихстандартов компаний, эксплуатирующих газотранспортные системы.5.

Составление моделей устройства в специализированных программахсхемотехнического, механического и теплового моделирований – проверка ихфункционирования при условиях, соответствующих выбранного региону.-1306. Учет рекомендаций по увеличению надежности и снижению стоимости:при необходимости – внесение изменений в разработанные алгоритмы исхемотехнические решения.С целью обеспечения требований по надежности беспроводной сенсорныйсети необходимо провести операции в соответствии с блоком А4 (рисунок 4.5.)Рисунок 4.5 - Блок А4. Проверка требований по надежностиИсходя из общей структуры проектируемой БСТС, а также учитываятребованиятехническогозадания,разрабатываетсяструктурнаясхеманадежности (блок А41).