با استفاده از این دستگاه ارتباطی و یک پلتفرم تجزیه و تحلیل (که معمولا بخش محاسبات سمت کلاد می باشد)، می توان بصورت بلادرنگ از هر مکانی در جهان که اینترنت در دسترس باشد، بر روی خطوط لوله نظارت داشت.
خطوط لوله به عنوان مهمترین زیرساخت شناخته شده جهانی برای انتقال فرآورده های نفتی در نظر گرفته می شود. این خطوط معمولاً در اثر حوادث طبیعی (فرسایش، زلزله و غیره) یا به دلیل فعالیت های انسانی (انفجار، حفاری، حرکت وسایل نقلیه و غیره) آسیب می بینند. روش های نظارت خطوط لوله شامل ارزیابی متناوب خطوط لوله، استفاده از پیگهای هوشمند، نظارت زمینی و هوایی توسط نیروهای امنیتی است. هزینه بالا، پیچیدگی برنامه ریزی و فقدان مسیرهای دسترسی مناسب از اشکالات عمده این روش های نظارت هستند.
چالش بزرگی که اپراتورهای خطوط لوله در گذشته با آن روبرو بوده اند، نظارت به موقع و تشخیص آسیب در مراحل ابتدایی و یا حتی تشخیص پیشگیرانه است که به اتاق های کنترل در یک مکان خاص محدود نشود و در هرجایی که نیاز ببینند، در دسترس باشد. کارهای تحقیقاتی قبلی در مورد پایش خطوط لوله به ندرت بر انتقال بلادرنگ و نظارت بر داده های محل آسیب دیده به صورت بی سیم بر پایه یک پلتفرم اینترنت اشیا (IoT) متمرکز بوده است. این تحقیقات بیشتر بر روی طراحی و توسعه سیستمهای هوشمند بازرسی خط لوله (پیگ) متمرکز شده است. امروزه حدود ۲.۵ میلیون کیلومتر خط لوله هیدروکربنی در جهان احداث شده است که برای دست کم ۶۲ بار دور زدن کره زمین کافی است. به دلایل مختلف، درصد قابل توجهی از خطوط لوله در سراسر جهان برای پیگ رانی و کشف نقاط آسیب دیده خارج از دسترس در نظر گرفته می شود. این دلایل عبارتند از:
۱- پیچش های نامنعطف و تنگ موجود در بعضی از خطوط لوله که به پیگ اجازه عبور نمی دهد.
۲- انسدادهای ناشی از گل و لای و آلاینده ها ممکن است به عنوان مانعی بر سر راه پیگ باشد.
۳- دریچه هایی در خط لوله وجود دارد که برای همیشه از ورود هر چیزی به جز گاز یا مایع جلوگیری می کند.
۴- ممکن است هیچ مدخل ورود اضطراری به یک خط لوله وجود نداشته باشد.
عملیات پیگرانی گران است. برآوردها نشان داده اند که نظارت و بازرسی خط لوله توسط پیگها می تواند تا ۵۶ هزار دلار به ازای هر کیلومتر خط لوله هزینه داشته باشد. با در نظر گرفتن این که ۲۵ درصد از خطوط لوله جهان در کلاس «غیرقابل پیگرانی» قرار می گیرند، می توان تخمین زد که شرکت ها نزدیک به ۱۰۵ میلیارد دلار برای پیگرانی خطوط لوله هیدروکربنی جهان هزینه می کنند. این بیشتر از تولید ناخالص داخلی سالانه بسیاری از کشورها است. ایجاد یک سیستم پیگرانی برای بازرسی و نظارت خطوط لوله یک فرآیند کثیف و پرزحمت است. برای اطمینان از اینکه عملیات در چارچوب پارامترهای بهداشت، ایمنی و محیط زیست (HSE) حفظ می‌شود، به یک فرآیند برنامه‌ریزی بسیار سخت نیاز است، زیرا اکثر فرآیندهای پیگرانی در زمانی که خطوط لوله در حال خدمت هستند اجرا می‌شوند. خدمه آموزش دیده ممکن است به ساعت ها زمان نیاز داشته باشند تا پیگ را به درستی در لوله بارگذاری کنند و هر بار در مسافت محدودی در حد چند کیلومتر که برای آنها در دسترس است، قابل اجراست. در نتیجه، ممکن است نیاز باشد که چندین پیگ در بخشهای مختلف خط لوله به طور جداگانه راه اندازی شوند.
هرچند پیگهای هوشمند از نوآوری‌های با فناوری بالاتر مانند فرستنده‌ها، حسگرها، GPS، جریان گردآبی، میدان‌های مغناطیسی، امواج فراصوت و آکوستیک برای تشخیص نقاط آسیب دیده احتمالی خط لوله استفاده می‌کنند اما استفاده از یک آردوینو با ماژول وایفای و پلتفرم ThingSpeak IoT برای دستیابی به نظارت بلادرنگ خط لوله از هر نقطه از جهان، دارای برتریهای زیادی است.
اغلب اوقات، آسیب های ناشی از رویدادهای تکانشی، یک پالس فشار ایجاد می کند که از طریق سیال در هر دو جهت لوله منتشر می شود. تشخیص و اندازه گیری این پالس های فشار را می توان در نقاط دور از رویداد انجام داد. پالس های اندازه گیری شده حاوی اطلاعاتی در مورد حادثه هستند و می توانند برای نظارت خطوط لوله و شناسایی و مکان یابی آسیب ها استفاده شوند.
انواع روشهای پایش خط لوله در حال حاضر موجود هستند که هریک مزایا و معایب خود را دارند. روش موج فشار منفی (NPW) برای نظارت خط لوله توسط Junxiao و همکاران استفاده شد که برای تشخیص محل آسیب در خط لوله گاز مورد استفاده قرار می گیرد. با وقوع حادثه در خط لوله، یک موج تنش ایجاد می شود که از نقطه نشتی در امتداد خط لوله به هر دو سمت انتشار می یابد.
روش پایش خط لوله مبتنی بر بسته موجک توسط Guofeng و همکاران توسعه داده شد و برای شناسایی ترک در جداره خط لوله با استفاده از انتشار موج تنش با مبدل‌های پیزو سرامیکی استفاده شد و بسیاری از روشهای دیگر که در این مجال نمی گنجد.
روشهای مبتنی بر ارتعاش برای نظارت خطوط لوله بسیار مؤثر بوده‌اند. روش تأخیر زمانی بین ورود پالس فشار در محل نشتی در یک خط لوله بسیار مؤثر بود. به دلیل صدای تداخل ناخواسته از ترافیک، آب، باد و سایر منابع، روش صوتی پایش خط لوله در تعیین نشتی در لوله ناکارآمد بوده است و در روش حداقل مربعات معکوس، مدلسازی نادرست شرایط گذرا و مرزی در یک شبکه لوله به عنوان یک اشکال عمده نظارت خطوط لوله مشخص شد.
صنعت نفت و گاز علیرغم داشتن خطوط لوله و تاسیسات پالایشی و ابزار دقیق دکل های حفاری برای چندین دهه، در پذیرش فناوری IoT کند بوده است. هرچند اخیراً صنعت استخراج شروع به کار با اینترنت اشیا کرده است. این تغییر تا حدی به دلیل قیمت انرژی است که اخیرا و به ویژه به دلیل همه گیری ویروس کرونا دچار صدماتی شده است.
همواره نیاز مبرمی برای کشورهای تولیدکننده نفت وجود دارد که از تأسیسات لوله خود در برابر خرابکاران محافظت کنند و درآمد خود را از تولید نفت و گاز حفظ کنند. این امر به تأمین مالی بودجه ملی آنها کمک می کند و درآمدهای ارزی آنها را افزایش می دهد. شرکت های نفتی برای کاهش هزینه ها تلاش کرده اند و یکپارچه سازی و اتوماسیون یکی از ساده ترین مکان ها برای رسیدن به این هدف است. یک راه حل، استفاده از اینترنت اشیاء است که می تواند همه این رشته های مختلف داده را به هم گره بزند و اکنون به گزینه ای مناسب برای شرکت های نفتی تبدیل شده است که به دنبال به حداقل رساندن خطای انسانی و به دست آوردن قابلیت نظارت بلادرنگ برای طیف گسترده ای از اجزای موجود در خطوط لوله هستند.
نظارت خط لوله توسط حسگرهای بی سیم اینترنت اشیا
همانطور که اشاره شد راه حلهای اینترنت اشیا به مدیران خط لوله اجازه می‌دهد به داده‌های کامل در زمان مناسب دسترسی داشته باشند و آنها را قادر می سازد تا از دیدگاه عملیاتی واکنشی سریعتر و پیشگرانه داشته باشند.
اینترنت اشیا می تواند نقش های مختلفی در نظارت خطوط لوله ایفا کند. داده‌های عملیاتی پمپ شناور الکتریکی را می‌توان برای تشخیص خرابی احتمالی و متوقف کردن پمپ برای جلوگیری از آسیب، پایش کرد و متقابلاً اپراتورها را برای تعمیر یا تعویض پمپ بر اساس مدل‌های تعمیرات و نگهداری پیشگیرانه (PM) مطلع کرد. چنانچه نگرانی های مربوط به امنیت سیستمهای IoT رفع شود، اینترنت اشیا می‌تواند در بهینه‌سازی خط لوله استفاده شود، جایی که می‌تواند یک دریچه را ببندد و یک هشدار به دستگاه تلفن همراه ارسال کند تا از اختلال یا آسیب جدی به خط لوله جلوگیری کند.
مزایای پذیرش اینترنت اشیا برای نظارت خطوط لوله متفاوت است. بدون اینترنت اشیا، سازمان ها برای انجام بررسی های معمول و پشتیبانی، به افراد وابسته هستند. چارچوب اینترنت اشیا به دلیل توانایی در پایش مداوم خطوط لوله، به حذف بررسی های سنتی کمک می کند. اطلاعات به دست آمده به طور تدریجی می تواند برای کاهش خطرات قابل توجهی که با نشت خط لوله و سایر شرایط نامطلوب مرتبط است مورد استفاده قرار گیرد. بنابراین کاربرد دیگر اینترنت اشیا در خطوط لوله، کاهش نیاز به ارزیابی های انسانی است و این منابع می توانند آزاد و یا در اختیار بخش پشتیبانی قرار گیرند.
فن آوری های نظارت و بازرسی خطوط لوله توجه زیادی را در سراسر جهان به خود جلب کرده است. در این تحقیق از شبکه های حسگر برای تعیین محل ترکیدگی، نشتی و سایر آسیبها با استفاده از پالس های فشار بر اساس اصل ارتعاش در لوله ها استفاده شد. اصل تأخیر زمانی دریافت پالس در موقعیت‌های مختلف حسگرها مورد ارزیابی قرار گرفت. مزیت عمده این کار نظارت بلادرنگ بر خطوط لوله از هر مکانی در جهان است.
تحقیقات قبلی در مورد نظارت خطوط لوله به ندرت بر انتقال و نظارت بر داده های محل آسیب دیده به صورت بی سیم به یک پلت فرم اینترنت اشیا (IoT) متمرکز شده است. علاوه بر این، محققان از یک آردوینو و ماژول Wi-Fi برای تولید یک دستگاه ارتباط بی‌سیم برای گرفتن پالس‌های فشار از سنسورهای روی لوله‌ها در یک خط لوله آزمایشی و انتقال این داده‌ها به صورت بی‌سیم به پلتفرم ThingSpeak استفاده کردند. ThingSpeak یک سرویس اینترنت اشیا است که امکان مشاهده و تجزیه و تحلیل جریان داده های زنده را از حسگرها در فضای ابری فراهم می کند. این پلتفرم شما را قادر می سازد تا بصورت بلادرنگ، داده های دریافتی از دستگاه های راه دور را با کدهای Matlab تحلیل کنید. برای این کار باید در ThingSpeak ثبت نام کنید و کانال هایی را در پلتفرم ایجاد کنید. این کانال ها از طریق کدنویسی برای ارتباط با سنسورهای مورد نظر پیکربندی می شوند.
لوازم مورد استفاده در این آزمایش عبارت بودند از:
۱- لوله پلی اتیلن انعطاف پذیر
۲- دکل آزمایشی
۳- سنسورهای پیزوالکتریک TCAM (قطر 15 سانتی متر، ضخامت 0.35 میلی متر، شماره مدل: 8QQ0302) برای تشخیص پالس های منتشر شده در طول خط لوله
۴- مولد پالس برای تولید پالس های فشار جلوی تیز در لوله.
۵- دیتالاگر Pico Log 1012 برای ضبط و پردازش سیگنال های پالس های فشار با نرخ نمونه برداری مشخص
۶- بورد Arduino UNO R3 با ماژول ESP8266 وایفای
۷- کامپیوتر که برای پردازش اطلاعات به ماژول جمع آوری داده متصل است.
آزمایش نظارت و مانیتورینگ خط لوله توسط اینترنت اشیا
نتیجه گیری
استفاده از اینترنت اشیا در صنایع مختلف در حال توسعه است. چشم پوشی از مزایای این فناوری بطور قطع هزینه های زیادی به جای می گذارد به این دلیل که یکی از مزایای عمده سیستمهای مبتنی بر اینترنت اشیا، مقرون به صرفه بودن آن در مقیاسهای بزرگ است. این فناوری دسترسی راه دور را به اطلاعات اشیا و داده های حیاتی موردنیاز جهت مانیتورینگ و تصمیم گیری فراهم می سازد. یکی از اصلی ترین معایب این فناوری، مباحث مرتبط با امنیت آن است. در مورد زیرساختها و بویژه انرژی، شاید مساله امنیت یک عامل بازدارنده اصلی در توسعه IoT بوده باشد. ترس از نفوذ و کنترل عوامل خرابکار به تاسیسات حیاتی همواره وجود دارد. هرچند در سالهای اخیر پیشرفتهای زیادی در مورد امنیت اجزای اینترنت اشیا، مانند پروتکلها و ارتباطات آن صورت گرفته است. استفاده از قراردادهای هوشمند و شبکه بلاک چین یکی از مورد بحث ترین مسایل مرتبط با رفع موانع امنیتی و ایجاد قابلیت اعتماد به آن است.
در اینجا لازم به توضیح است که نظارت و مانیتورینگ خطوط لوله توسط اینترنت اشیا نمی تواند جایگزینی برای پیگ و وظایف پیگرانی باشد چرا که فقط یکی از اهداف پیگرانی، تشخیص نقاط آسیب دیده یا مستعد حادثه در خطوط لوله است. امروزه پیگها وظیفه تمیزکاری داخل لوله از رسوبات، نظارت بر بدنه داخلی لوله و ضبط اطلاعات هندسی خط لوله را بر عهده دارند. استفاده از اینترنت اشیا به عنوان مکمل سیستمها در جهت کاهش هزینه، کاهش منابع انسانی مورد نیاز برای امور تکراری و مستعد خطا مانند جمع آوری داده که متکی بر حواس انسانی است، بسیار موثر است. همچنین چنانچه قبلا ذکر شد دسترسی بلادرنگ به اطلاعات حیاتی در مورد سلامت سیستمهای گسترده ای مانند خطوط لوله قابل چشم پوشی نیست.
یکی از محدودیتهای فعلی اینترنت اشیا که در سطح سیستم نهفته و یا حسگرها و ماژولهای جمع آوری و ارسال اطلاعات وجود دارد، مساله ارتباطات است. این سیستم نیازمند نوعی از شبکه برای ارسال اطلاعات است که شاید راه اندازی آن در نقاط دور افتاده هزینه های اولیه زیادی را تحمیل کند. هرچند شبکه هایی مانند NB-IoT و استارلینک می تواند آینده امیدوار کننده ای را پیش روی این فناوری قرار دهد.
شبکه ماهواره های استارلینک برای دسترسی جهانی به اینترنت ماهواره ای