Значительный ущерб экологии, экономике и даже человеческим жизням наносят чрезвычайные ситуации на трубопроводах. Только в нефтегазовом комплексе из всех групп оборудования наиболее часто аварии происходят на технологических линиях, включая случи с возгоранием, где они составляют 72%. Для предотвращения таких инцидентов требуется своевременная диагностика. Ее выполняют специальные роботы, которые двигаются внутри труб и выявляют трещины, коррозию и другие дефекты. Управляются они удаленно с помощью специального программного обеспечения. Ученые Пермского Политеха разработали программно-аппаратный комплекс, надежность которого на 80% выше в сравнении с аналогичными решениями.
Статья опубликована в журнале «Сборка в машиностроении, приборостроении». Разработка выполнена в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».
Трубопроводы доставляют нефть, газ и другие ресурсы из мест добычи к перерабатывающим заводам и далее — к потребителям. Без них невозможна стабильная работа электростанций, транспорта и промышленности. Однако их состояние во многих регионах оставляет желать лучшего. Ежегодно происходят десятки аварий, связанных с коррозией, износом и перепадами температур.
Для предотвращения таких ситуаций используются специальные диагностические устройства — роботы, которые могут двигаться внутри трубопровода и осматривать его состояние, выявлять трещины, коррозию, засоры и другие дефекты. Существующие системы управления ими недостаточно эффективны и надежны: они либо требуют много энергии, либо слишком сложны в программировании и настройке.
Ранее ученые Пермского Политеха запатентовали конструкцию такого мобильного робота, которая обеспечивает ему свободную управляемость при движении по криволинейному участку трубопровода. Сейчас исследователи разработали уникальную систему управления этим механизмом, которая включает в себя два микроконтроллера и компьютерное приложение. Это позволило создать гибкий и надежный программно-аппаратный комплекс, способный работать долго и стабильно. Система подойдет не только для устройства ученых ПНИПУ, но и для других аналогичных роботов.
Контроллер — это электронное устройство, которое устанавливается внутри корпуса и управляет всеми его системами: двигателями, видеокамерой и другими компонентами. Он представляет собой небольшой компьютер или микросхему, которая получает команды из программы, обрабатывает данные с датчиков и подает сигналы на исполнительные механизмы, чтобы робот двигался, поворачивал, останавливался и выполнял диагностические задачи.
— Системы с одним или двумя контроллерами для управления внутритрубными роботами уже есть, однако имеют свои недостатки. Во-первых, детали для них делаются, как правило, на заказ, что повышает стоимость оборудования и усложняет процесс его изготовления. Во-вторых, часто бывает, что один из компонентов выходит из строя — в таком случае следом за ним отключается и вся система. Кроме того, в них, как правило, используются довольно слабые драйверы управления двигателями — мощностью максимум 5 Ампер, чего хватает не для всех моторов. В результате сокращается время бесперебойной эксплуатации робота, он может не успеть осмотреть все участки трубопровода и выявить не все дефекты, — комментирует Дмитрий Кучев, ассистент кафедры «Оборудование и автоматизация химических производств» ПНИПУ.
Уникальность разработки ученых Пермского Политеха заключается в простоте ее использования и доступности. Компоненты системы можно купить в любом магазине, что упрощает и удешевляет производство. В программном комплексе использованы два контроллера под названиями Raspberry Pi 4 и Arduino Nano. Это иностранные бренды, однако, по словам ученых, вместо них можно использовать и отечественные аналоги Repka Pi и Smar Uno.
Использование двух контроллеров позволило распределить разные задачи между ними, чтобы избежать перегруза и, как следствие, отказа работы. Raspberry Pi 4, отвечает за обработку видеоизображения, управление датчиками и удаленное взаимодействие с пользователем через веб-интерфейс, а Arduino Nano снижает нагрузку на первый и берет на себя задачу контроля двигателей. При этом действуют они сообща, обмениваясь данными. Также в системе использован более мощный по сравнению с аналогами драйвер (43 Ампера). Такое разделение ролей между платами позволило повысить отказоустойчивость и, следовательно, надежность работы.
— Система управления прошла испытания на прототипе робота в лабораторных условиях. Он успешно преодолевал участки трубопроводов со сложной геометрией: два последовательных изгиба под 90° и переход в прямой участок. Как показали эксперименты, у нашей системы сбои в работе возникают на 80,5% реже, чем у аналогичного комплекса, в котором есть только Raspberry Pi, подключенный к драйверам — такая компоновка наиболее часто используется в робототехнических устройствах. При максимальных нагрузочных режимах среднее время безотказной работы нашей системы составило 10,87 часов, тогда как у существующей — всего 6,02 часа, — рассказывает Дмитрий Кучев.
В разработке уже заинтересованы компании, использующие диагностические устройства для трубопроводов — «Газпромнефть — Смазочные материалы», «Башкирские распределительные тепловые сети», «Т Плюс».
Программно-аппаратный комплекс ученых Пермского Политеха может быть использован в нефтегазовой отрасли, в системах водоснабжения, тепловых сетях, а также в других сферах, где требуется внутритрубная диагностика. Применение этой разработки позволит сократить количество аварий, минимизировать экологический ущерб и снизить затраты на ремонт.