Systemy monitoringu temperatury DTS są coraz częściej stosowanym rozwiązaniem w energetyce. Zainteresowanie nimi oraz systemami do monitoringu wibracji (DAS) zaczyna pojawiać się też w innych gałęziach przemysłu. To, czy znajdą zastosowane jest często rozważane przez służby techniczne zajmujące się eksploatacją urządzeń tam, gdzie temperatura i wibracje muszą być utrzymywane na określonym poziomie lub też oznaczają zagrożenie dla instalacji oraz – co najważniejsze – dla zdrowia i życia ludzi.
Obecnie coraz częściej spotykanym rozwiązaniem stają się instalacje, które podczas pracy urządzeń technicznych mają możliwość monitoringu temperatury i wibracji przy wykorzystaniu włókna światłowodowego pełniącego rolę czujnika pomiarowego. Urządzenia procesów technologicznych integruje się z włóknem światłowodowym tak, aby zostało ono umiejscowione jak najbliżej źródła ciepła lub wibracji. Pomiar dokonywany jest w jednostkach popularnie nazywanych DTS-ami – dla zjawisk temperaturowych i DAS-ami – dla zjawisk akustycznych (wibracji).
Aby mówić o kompletnym systemie pomiarowym DTS/DAS należy pamiętać o urządzeniach dodatkowych, które wraz z jednostką pomiarową tworzą funkcjonalną całość:
- obudowa (np. szafa stacyjna) dostosowana wymiarami oraz szczelnością do warunków pracy,
- serwer (komputer) przetwarzania danych,
- serwer (przestrzeń dyskowa lub chmura) archiwizacji danych,
- urządzenia do komunikacji z systemem nadrzędnym użytkownika (np. SCADA) i wymiany danych,
- urządzenia do komunikacji niezależnej (jeśli jest wymagana),
- oraz opcjonalne (nie wymagane) peryferia do obsługi urządzenia na miejscu.
Monitoring temperatury przy użyciu DTS-ów
Jednostka pomiarowa DTS to urządzenie nazywane również systemem liniowego pomiaru temperatury. Ma możliwość pomiaru temperatury na duże odległości (50 km i więcej) przy wykorzystaniu włókien wielomodowych (najbardziej wskazanych do tego typu zastosowań) lub też jednomodowych. Pomiar temperatury w urządzeniu DTS realizowany jest poprzez wprowadzenie światła lasera do czujnika temperatury (światłowodu pomiarowego), który – najczęściej zintegrowany z obiektem monitorowanym – zapewnia odwzorowanie profilu temperaturowego monitorowanego procesu technologicznego w miejsce dotychczasowego, tradycyjnego pomiaru punktowego. Zasadę pomiaru pokazuje rysunek 1.
W przypadku zmiany temperatury w określonej lokalizacji system DTS oblicza zarówno dokładną temperaturę, jak i jego lokalizację.
Możliwości zastosowania systemów monitorujących DTS są bardzo szerokie w różnych dziedzinach działalności:
- monitorowanie procesów chemicznych, gdzie istotnym parametrem jest temperatura procesu,
- monitorowanie temperaturowe kabli energetycznych, transformatorów innych urządzeń energetycznych energetyki zawodowej,
- monitorowanie np. paneli fotowoltaicznych, tras kablowych wyprowadzających energię oraz urządzeń transformujących w OZE,
- monitoring i wczesne alarmowanie przed powstaniem pożarów endogenicznych w kopalniach,
- monitoring przeciwpożarowy urządzeń i obiektów infrastruktury elektroenergetycznej, rurociągów z ropą, gazem, chemikaliami i innymi mediami,
- monitoring przenośników taśmowych pod kątem detekcji zatartych rolek, temperatury silników napędowych,
- monitoring kompletnych linii produkcyjnych celem zastąpienia pomiarów punktowych monitoringiem liniowym,
- monitoring pod kątem wsparcia lub zastąpienia urządzeń p.poż. w budownictwie ogólnym (wieżowce, metro, tunele drogowe),
- wskazywanie w czasie rzeczywistym gorących punktów, odchyleń od standardu, innych zmian i zagrożeń temperaturowych,
- monitoring dowolnego obiektu, w otoczenie którego można wprowadzić włókno światłowodowe. Podstawowa, przykładowa specyfikacja systemu do monitoringu temperatury:
- maksymalna długość pojedynczego włókna światłowodowego 50 km,
- sekwencyjne monitorowanie od czterech do 16 niezależnych kanałów pomiarowych o długości 50 km każdy (16 x 50 km),
- pomiar temperatury wzdłuż całej długości włókna o dokładności pomiaru poniżej 1oC,
- indywidualne definiowanie stref pomiarowych, poziomów i kategoryzacja alarmów przez użytkowników,
- długoletnia archiwizacja danych pomiarowych (standardowo do pięciu lat),
- wizualizacja wyników pomiarów w czasie rzeczywistym na mapie lub schemacie sytuacyjnym w formie uzgodnionej z użytkownikiem.
Monitoring wibracji przy użyciu DAS-ów
Drugie urządzenie, które zyskuje coraz większe zainteresowanie, to jednostka pomiarowa DAS, nazywana również akustycznym systemem liniowego pomiaru wibracji. Ma możliwość pomiaru zdarzeń akustycznych na duże odległości (maksymalnie 50 km) przy wykorzystaniu włókien jednomodowych. Pomiar wibracji w urządzeniu DAS jest realizowany poprzez wprowadzenie światła lasera do czujnika wibracji (światłowodu pomiarowego) zintegrowanego z obiektem monitorowanym lub też umieszczonego w jego bezpośrednim otoczeniu. Takie umiejscowienie czujnika wibracji pozwala na odwzorowanie profilu akustycznego monitorowanego procesu technologicznego. Zasadę pomiaru przedstawia rysunek 2.
W przypadku zdarzeń akustycznych (wibracji) w określonej lokalizacji system DAS mierzy zarówno amplitudę sygnału, porównuje ją z zapisanymi i określa prawdopodobną przyczynę zdarzenia, jak i jego dokładną lokalizację.
Możliwości zastosowania systemów monitorujących DAS są szerokie:
- monitoring drgań wokół elementów infrastruktury podziemnej, tj. kabli, rurociągów, celem wskazania ich uszkodzenia, np. na skutek ingerencji osób trzecich,
- monitoring ruchu kolejowego oraz infrastruktury (torowiska, nasypy, wiadukty) pod kątem jej stanu i lokalizacji poszczególnych pojazdów kolejowych wraz z możliwością kontroli ich ruchu,
- monitoring taśmociągów, mostów, platform wiertniczych i innych konstrukcji stalowych i betonowych,
- wskazywanie w czasie rzeczywistym zagrożeń związanych z drganiami, tj. nieautoryzowane wtargnięcie na tereny zamknięte dla obiektów:
- wojskowych – poligony, jednostki wojskowe,
- rządowych – ochrona budynków i granic,
- cywilnych – lotniska, budynki użyteczności publicznej,
- wczesne wykrywanie zagrożeń sejsmicznych,
- monitoring dowolnego obiektu, w otoczenie którego można wprowadzić włókno światłowodowe. Podstawowa, przykładowa specyfikacja systemu do monitoringu wibracji:
- maksymalna długość pojedynczego włókna światłowodowego do 50 km,
- jednoczesne monitorowanie maksymalnie dwóch niezależnych kanałów pomiarowych o długości 50 km każdy dla urządzeń wyposażonych w dwa lasery (2 x 50 km),
- pomiar i lokalizacja zdarzeń akustycznych w promieniu co najmniej 10 m wokół osi światłowodu pomiarowego ułożonego w gruncie,
- indywidualne definiowanie stref pomiarowych, poziomów i kategoryzacja alarmów przez użytkowników,
- długoletnia archiwizacja danych pomiarowych (standardowo do pięciu lat),
- wizualizacja wyników pomiarów w czasie rzeczywistym na mapie lub schemacie sytuacyjnym w formie uzgodnionej z użytkownikiem.
Korzyści z zastosowania urządzeń DTS i DAS
Korzyści z zastosowania urządzeń pomiarowych i monitorujących ogólnie sprowadzają się do zminimalizowania wkładu ludzkiej pracy w proces zbierania danych, w szczególności tam, gdzie występują warunki niekorzystne do przebywania dla obsługi lub wręcz dla niej niebezpieczne.
Automatyzacja procesu zbierania danych oraz ich szybka obróbka sprzyja natychmiastowemu reagowaniu na zmiany w stanach podstawowych – roboczych, ale i daje możliwość przewidzenia stanów awaryjnych lub też błyskawicznej reakcji na zdarzenia podczas zaistnienia awarii. Optymalna reakcja na zagrożenia powoduje ograniczenie przypadków uszczerbku na zdrowiu lub utraty życia przez obsługę procesów technologicznych oraz ogranicza zakres strat materialnych w przypadku awarii.
Poza korzyściami związanymi z szybkością reagowania na stany zmienne, urządzenia monitorujące mają możliwość wykorzystania monitoringu kilku różnych zjawisk i obiektów w ramach tej samej technologii, jak np.:
- połączenie monitoringu temperatury linii energetycznych wraz z monitoringiem temperatury urządzeń elektroenergetycznych znajdujących się w zasięgu oraz dodatkowy monitoring temperatur pomieszczeń technicznych, wspomagający instalacje przeciwpożarowe poprzez wykorzystanie wolnych kanałów pomiarowych tego samego systemu DTS,
- połączenie monitoringu wibracji, funkcji monitorującej nieautoryzowane wejście, z detekcją obecności osób w budynkach lub na terenach otwartych w stanach zagrożeń w ramach jednej jednostki DAS,
- połączenie monitoringu wibracji, funkcji monitorującej nieautoryzowane wejście na zamknięte tereny kolejowe, z monitoringiem szlaku kolejowego pod kątem lokalizacji pojazdów kolejowych, zajętości torów i sterowania ruchem kolejowym w ramach jednej jednostki DAS.
Możliwości szerszego zastosowania urządzeń DTS w ramach już posiadanych lub planowanych do zakupu urządzeń jest zdecydowanie więcej i każda realizacja może po głębszej analizie je pokazać, np. podczas dialogu technicznego między służbami mającymi eksploatować urządzenia monitorujące a przyszłymi dostawcami tej technologii.
Obecnie największe możliwości może dać połączenie technologii DTS i DAS w ramach jednego zadania, mające na celu scalenie np. funkcji przeciwpożarowej DTS oraz funkcji lokalizacji obecności osób DAS w celu zabezpieczenia obiektów różnego przeznaczenia podczas takich zagrożeń jak np. pożary czy ataki terrorystyczne, pod warunkiem odpowiedniej konfiguracji tak samych urządzeń monitorujących, jak i włókien pomiarowych.
Podsumowanie
Biorąc pod uwagę korzyści płynące z systemów monitoringu, zwłaszcza przy wykorzystaniu ich możliwości monitorowania innych zjawisk w ramach tej samej technologii przy wykorzystaniu wolnych kanałów pomiarowych, można powiedzieć, że urządzenia DTS i DAS mają szersze zastosowanie niż zwykło się sądzić. Dodatkowo połączenie obu tych technologii w ramach jednego systemu oraz dalsze zintegrowanie ich z inteligentnymi systemami eksploatacji opartymi na sztucznej inteligencji – np. wraz z dronami lub robotami i klasycznym systemem monitoringu (kamery przemysłowe) – daje wręcz niesamowitą możliwość obserwacji oraz szybkiego reagowania na różnego rodzaju zdarzenia.
Artykuł był prezentowany podczas konferencji PTPiREE „Linie i stacje elektroenergetyczne”, która odbyła się 3-4 listopada 2021 roku.
ANDRZEJ CICHY
SensoTransel Sp. z o.o. Sp. K.
