AUTOMATYZACJA PROCESU POMIARU OBJĘTOŚCI ZBIORNIKÓW CYLINDRYCZNYCH W OPARCIU O NORMĘ ISO-7507

Transkrypt

1 Archwum Fotogrametr, Kartograf Teledetekcj, Vol. 19, 2009 ISBN AUTOMATYZACJA PROCESU POMIARU OBJĘTOŚCI ZBIORNIKÓW CYLINDRYCZNYCH W OPARCIU O NORMĘ ISO-7507 THE AUTOMATION OF CYLINDRICAL TANK VOLUME MEASUREMENT PROCESS BASED ON ISO STANDARD Rafał Kocerz Katedra Geodezj Inżyneryjnej Budownctwa, Akadema Górnczo-Hutncza m. Stansława Staszca w Krakowe SŁOWA KLUCZOWE: zbornk cylndryczne, geomatyka, automatyzacja, sterowane on-lne STRESZCZENIE: Podczas budowy eksploatacj rafner naftowych występuje problem określana objętośc zbornków służących do magazynowana ropy naftowej oraz jej cekłych produktów pochodnych. W tym celu Główny Urząd Mar wykorzystuje aktualne prostą lecz mało wygodną metodę opartą na pomarze obwodu taśmą mernczą. Jest to jednak metoda którą można jedyne wykorzystać dla zbornków o małych znekształcenach od kształtu cylndrycznego oraz pozwala jedyne określć objętość, ne dając jednak żadnych nformacj o jego deformacjach oraz wychylenach. Jedną z bardzej kompleksowych technolog pomarowych umożlwających wyznaczene objętośc deformacj zbornków na palwa płynne oraz mającą oparce w norme ISO jest metoda z wykorzystanem tachmetru bezzwercadlanego. Jest ona unwersalna, nowoczesna, precyzyjna a jednocześne szybka. Wymaga jednak welkej starannośc podczas pomaru w przypadku łatwo odkształcalnych den zbornków jest trudna do zastosowana w klasycznej postac. Wszystke te nedogodnośc mogą zostać wyelmnowane gdy zostane wykorzystany zrobotyzowany tachymetr bezzwercadlany wraz z specjalstycznym oprogramowanem umożlwającym pełną automatyzację procesu pomarowego oraz oblczenowego. 1. WSTĘP Powszechne na całym śwece, do przechowywana ropy naftowej nnych cekłych produktów ropopochodnych stosuje sę duże cylndryczne zbornk o ponowej os obrotu (Rys. 1). Tego typu obekty mają objętośc nawet do m 3 przy obwodze dochodzącym do ponad 300 m. Przed właścwym napełnanem zbornka mus sę odbyć proces jego kalbracj. Jednym z parametrów jake trzeba określć jest objętość faktyczna zbornka. Zgodne z normą ISO-7507 (Mędzynarodowa Organzacja Standaryzacj, 2003) kalbrację zbornków można wykonać następującym metodam: - pomar obwodów taśmą mernczą - prostej odnesena z wykorzystanem ponownka optycznego - wcęć przestrzennych 201

2 Rafał Kocerz - z wykorzystanem tachymetru bezzwercadlanego położonego wewnątrz zbornka - z wykorzystanem tachymetru bezzwercadlanego położonego na zewnątrz zbornka Rys. 1. Zbornk na bopalwa w rafner Trzebna Aktualne nstytucją upoważnoną do kalbracj zbornków jest Główny Urząd Mar. Wykorzystuje on najprostszą metodę pomaru opartą na pomarze obwodów poszczególnych pozomów taśmą mernczą. Jest to metoda dokładna lecz żmudna, ne możlwa do automatyzacj oraz dostarczająca małą lość nformacj dodatkowych (np. o wychylenu zbornka). Zdanem autora najwygodnej jest wykonać pomar z wnętrza zbornka wykorzystując zrobotyzowany tachmetr bezzwercadlany. Najwększym zaletam tej metody są: - stosunkowo łatwy pomar; - duże możlwośc automatyzacj procesu pomarowego; - z zebranych danych można wyznaczyć objętość zbornka, kształt os głównej zbornka, deformacje wewnętrznej powłok zbornka w przekrojach pomarowych. Do wad należy newątplwe zalczyć sam koszt zakupu zmotoryzowanego tachymetru bezzwercadlanego oraz specjalstycznego oprogramowana sterującego przetwarzającego. 202

3 Automatyzacja procesu pomaru objętośc zbornków cylndrycznych w oparcu o normę ISO AUTOMATYZACJA PROCESU POMIAROWEGO Współczesne nstrumenty pomarowe pozwalają na rozwązane różnorodnych problemów pomarowych. Jedną z przydatnejszych funkcj jest automatyczny skanng powerzchn w ustalonych oczkach satk. Przy perwszym spojrzenu może sę wydawać, że jest to dealna funkcja dla potrzeb pomaru zbornków cylndrycznych. Nestety są one przeznaczone główne do skanowana powerzchn płaskch ne pozwalają na rozłożene równomernej satk na obektach o pewnej krzywźne. Dodatkowo, przy pomarach zbornków, nezbędne jest rozmeszczene punktów satk pomarowej w dość szczególnych mejscach, na co wbudowane oprogramowane ne pozwala. Zdając sobe sprawę ze wszystkch ogranczeń możlwe jest sterowane ręczne pomarem (co z pewnych względów ne zawsze może meć mejsce oraz jest bardzo czasochłonne) lub można stworzyć własne oprogramowane sterujące. Każda frma produkująca nstrumenty geodezyjne opracowała własny metody umożlwające użytkownkow na jego programowane. Nektóre nstrumenty mają możlwość wgrana programów napsanych dla systemu operacyjnego DOS (np. Topcon GTS-700), nne wymagają psana programów w konkretnym języku programowana, a najprostsze mają jedyne możlwość sterowana za pośrednctwem zewnętrznych komputerów polowych. Zgodne z zalecenam normy nstrument pomarowy mus spełnać następujące wymog dokładnoścowe: - rozdzelczość pomaru kąta równa bądź lepsza od 2 cc ; - powtarzalność pomaru kąta mus być równa lub lepsza od ±5 cc ; - nepewność pomaru kąta równa lub mnejsza od ±10 cc ; - dokładność odczytu odległośc równa lub wększa od 1 mm; - powtarzalność oraz nepewność pomaru odległośc pownna być równa lub lepsza od ±2 mm. Wszystke z powyższych wymagań spełna wybrany nstrument Leca TCRA1102 (Rys. 2). Tachymetry tej ser można sterować automatyczne z wykorzystanem oprogramowana wewnętrznego napsanego samodzelne w języku GeoBASIC (nowa sera TPS1200 ma możlwość programowana w języku GeoC++) lub za pomocą oprogramowana zewnętrznego (np. zanstalowanego na komputerze przenośnym) łączącego sę z nstrumentem z wykorzystanem transmsj szeregowej (przy pomocy odpowednego kabla lub transmsj bluetooth). Wyberając warant oprogramowana zewnętrznego należy zdecydować o wyborze protokołu. Programsta ma do wyboru stary standard o nazwe GSI (Geo Seral Interface) lub nowszy GeoCOM, bazującym na protokole RPC (Remote Procedure Call) frmy SUN Mcrosystems (Leca Geosystems, 2004). W przypadku rozpatrywanego zagadnena zdecydowano sę na napsane zewnętrznego oprogramowana w języku Object Pascal (Resdorph, 2001) poneważ dzęk newelkm zmanom będze można go dostosować do sterowana praktyczne każdym nstrumentem zmotoryzowanym (nezależne od producenta). Program będze mał za zadane ustanowć transmsję pomędzy komputerem a nstrumentem oraz przesyłane poleceń GeoCOM na które nstrument będze odpowadał przesyłając z powrotem nezbędne dane (Rys. 3). 203

4 Rafał Kocerz Rys. 2. Tachymetr Leca TCRA1102 wraz z laptopem sterującym Rys. 3. Okno główne programu sterującego pracą nstrumentu 204

5 Automatyzacja procesu pomaru objętośc zbornków cylndrycznych w oparcu o normę ISO PROJEKTOWANIE SIATKI POMIAROWEJ Zgodne z zapsam normy, na każdej cardze należy zaprojektować dwa przekroje pozome odległe od spawów ponowych o 1/5 (lub 1/4) jej wysokośc. Na przekrojach pozomych należy zaprojektować zbór punktów z narzucenem warunku, ż odległość mędzy lną spawu ponowego, a projektowanym punktem ne może być mnejsza od 300 mm (Rys. 4). Rys. 4. Rozmeszczene satk pomarowej na tle spawów Tabela 1. Mnmalna lczba punktów na przekroju pozomym Obwód zbornka, C [m] Mnmalna lczba punktów pomarowych C < C < C < C < C < C < C

6 Rafał Kocerz Oprócz warunków przedstawonych powyżej, norma podaje równeż mnmalną lczbę punktów jaka pownna być równomerne rozmeszczona na każdym przekroju pozomym (Tabela 1). Na podstawe znajomośc współrzędnych punktu środka geometrycznego zbornka oraz promena można wyznaczyć wartośc kątów pozomych ponowych na które należy naprowadzć tachymetr w celu wykonana pomaru (Rys. 5). Rys. 5. Wyznaczene mar do punktów przekroju α = 2π (1) n [ θ + ( ) α ] X = X + R cos 1 (2) 0 [ θ + ( ) α ] Y = Y + R sn 1 (3) 0 Y Y s tan β = arctan (4) X X s tan d 2 ( X X ) + ( Y Y ) 2 = (5) s tan s tan 206

7 Automatyzacja procesu pomaru objętośc zbornków cylndrycznych w oparcu o normę ISO-7507 = Z Z s tan ϕ arctan (6) d gdze Θ - przesunęce kątowe punktów na obwodze, dobrane tak aby zachować mnmalną odległość od spawów ponowych α - odległość kątowa mędzy punktam pomarowym X, Y, Z - współrzędne przestrzenne punktów na przekroju X 0, Y 0 - współrzędne środka geometrycznego zbornka X stan, Y stan, Z stan - współrzędne przestrzenne nstrumentu β - azymut celowej do punktu pomarowego ϕ - kąt ponowy do punktu pomarowego d - odległość pozoma do punktu na obwodze zbornka W projektowanu satk pomarowej należy z dużą uwagą wyznaczyć wartość kąta Θ. Najbardzej optymalnym warantem będze jeśl wartość tego kąta zostane oblczona przez mnmalzację lczby punktów znajdujących sę w strefe buforowej spawów ponowych. 4. PRZEBIEG POMIARU Wewnątrz zbornka tachymetr rozstawamy na specjalnej podstawce dzęk której nstrument będze stał stablne. Po wstępnych czynnoścach należy ustawć prędkośc transmsj danych oraz włączyć tryb pracy GeoCOM. Na wewnętrznej powłoce merzonego obektu należy rozmeścć na wysokośc os celowej dwa punkty (tak aby kąt mędzy stanowskem a tym punktam wynosł w przyblżenu 90 ) których celem będze kontrola stablnośc nstrumentu (np. naklejane fole dalmerze). Poneważ podłoga w zbornkach tego typu łatwo sę odkształca, należy odejść z komputerem od nstrumentu usąść przy krawędz zbornka tak aby ruchy cała ne powodowały zmany położena nstrumentu. Dzęk temu że nstrument jest zmotoryzowany, użytkownk ne mus sterować pracą nstrumentu przez bezpośredne celowane, ale można włączyć plamkę lasera naprowadzać ją na kolejne punkty za pomocą zewnętrznego kontrolera lub funkcj jake zostały wbudowane w oprogramowane automatyzujące proces pomaru (Rys. 6). 207

8 Rafał Kocerz Rys. 6. Ręczne naprowadzane nstrumentu z wykorzystanem zewnętrznego oprogramowana Przy pomocy funkcj sterowana serwomotoram nstrumentu wykonujemy nacelowana na punkty kontrolne znajdujące sę na zbornku. Pomar należy powtórzyć po 15 mnutach skontrolować różnce wartośc odległośc. Jeśl różnce są wększe od dokładnośc pomaru należy poprawć stablność tachymetru. Po nauczenu programu położena punktów kontrolnych (np. fol dalmerczych) program może dokonywać automatycznej nspekcj punktów bez ngerencj użytkownka (Rys. 7). Rys. 7. Pomar punktów kontrolnych 208

9 Automatyzacja procesu pomaru objętośc zbornków cylndrycznych w oparcu o normę ISO-7507 Po kontrol stablnośc należy wskazać programow punkty znajdujące sę na spawach (Rys. 8). Najwygodnej jest zacząć pomary od punktów znajdujących sę na spawach pozomych, a następne wykonujemy pomar punktów na spawach ponowych. Rys. 8. Defncja spawów w programe Do zaprojektowana satk punktów pomarowych nezbędna jest jeszcze znajomość położena środka zbornka względem nstrumentu oraz przyblżona welkość promena. Parametry te można wprowadzć ręczne do programu lub wyznaczyć automatyczne na podstawe pomaru mnmum trzech punktów rozmeszczonych w przyblżenu równomerne na obwodze zbornka (Rys. 9). W przypadku występowana obserwacj nadlczbowych, szukane parametry wyznaczane są według zasady najmnejszych kwadratów z wykorzystanem procedury zaproponowanej przez Wędzonego [Wędzony, 1994]. Rys. 9. Wyznaczene przyblżonych parametrów zbornka Mając zebrane wszyske nezbędne dane, można przystąpć do wygenerowana satk pomarowej oraz uruchomene procedury pomarowej (Rys. 10). Po pomarze każdej carg nstrument wstrzymuje pomar czeka na pomar kontrolny stablnośc stanowska oraz wznowene procedury pomarowej dla następnej carg. Na zakończene przeprowadzć należy pomar punktów kontrolnych. 209

10 Rafał Kocerz Rys. 10. Automatyczny pomar wygenerowanej satk punktów 5. OPRACOWANIE WYNIKÓW Na podstawe zebranych obserwacj kątowych lnowych możlwe jest oblczene współrzędnych przestrzennych każdego punktu pomarowego. Dzęk znajomośc współrzędnych, każdy przekrój aproksymuje sę równanem okręgu w postac 0: 2 2 ( X X ) + ( Y Y0 ) = R + v 0 (7) Metodą najmnejszych kwadratów zostają wyznaczone współrzędne X 0, Y 0 środka przekroju oraz promeń zbornka R. Błąd aproksymacj σ 0 0 jest wskaźnkem deformacj zbornka na analzowanym przekroju pomarowym. vv σ 0 = ± (8) n 3 Do oblczena objętośc zbornka nezbędna jest znajomość powerzchn na każdym z przekrojów pomarowych. Jednym z sposobów na jej wyznaczene jest wykorzystane wartośc estymowanej wartośc promena zgodne z wzorem 0: P 2 = π R (9) Dodatkowo, dzęk wyznaczonym współrzędnym środków przekrojów, możlwe jest równeż wyznaczene wychylena os zbornka na każdym z pomerzonych przekrojów, co może być stotne przy pomarach odborczych oraz dla potrzeb jego remontów. Cenną nformacją może być równeż wykres wychyleń każdego przekroju ponowego, jak można wygenerować na podstawe współrzędnych punktów, które go tworzą. 210

11 Automatyzacja procesu pomaru objętośc zbornków cylndrycznych w oparcu o normę ISO-7507 Wynkem końcowym pracy programu jest raport zawerający wyznaczone parametry. Jego postać przedstawa ponższy lstng fragment raportu z pomaru testowego zbornka Z OblGEO.Zbornk Autor: Rafał Kocerz (FaFaL) ver.1.0 emal: kocerz@agh.edu.pl tel.kom CERGA : 7 PRZEKRÓJ : 14 POZIOM [m] : Numer X [m] Y [m] H [m] R [m] dr [mm] Uwag Współrzędne środka przekroju oraz promeń średn X0 [m] Y0 [m] H0 [m] R [m] Powerzchna przekroju pozomego (średn promeń) [m2] : Powerzchna przekroju pozomego (met. nterwalowa) [m2] : Obwód przekroju pozomego (met. nterwalowa) [m] : Dodatkowo, wszystke nformacje są prezentowane w postac rysunku przestrzennego zapsywanego przez program w formace DXF. Dzęk temu użytkownk ma możlwość wygenerowana dowolnego raportu grafcznego na podstawe zebranych nformacj co do kształtu wymarów obserwowanego zbornka. 6. WNIOSKI Za popularnoścą metody opasana taśmą przemawa jej prostota w pomarze oraz opracowanu wynków. Powyższe cechy przestają meć tak duże znaczene, poneważ dzęk opracowanemu oprogramowanu metoda z wykorzystanem tachymetru elektroncznego sprowadza sę do ustawena tachymetru nauczena program gdze znajdują sę spawy ponowe pozome. Cała satka pomarowa zostane wygenerowana automatyczne, a pomar wraz z opracowanem wynków będze wykonany praktyczne bez udzału człoweka. Dodatkowym zaletam prezentowanej metody jest dostarczene znaczne szerszej nformacj, a ne tylko danych umożlwających wyznaczene objętośc analzowanego zbornka. Stają sę zbyteczne dodatkowe pomary wyznaczające 211

12 Rafał Kocerz wychylene zbornka wykonywane przeważne z zewnątrz, a wymagające znaczne wększych nakładów pracy. 7. LITERATURA Leca Geosystems. GeoCOM Reference Manual. Heerbrugg, Mędzynarodowa Organzacja Standaryzacj. ISO 7507 Petroleum and lqud petroleum products - Calbraton of vertcal cylnrcal tanks. Genewa, Resdorph, Kent. Delph 6 dla każdego. Glwce: Helon, Wędzony, Józef. Przykłady uzupełnające nauczane rachunku wyrównawczego. Kraków: AGH, Praca została wykonana w ramach zadana badawczego AGH o nr THE AUTOMATION OF CYLINDRICAL TANK VOLUME MEASUREMENT PROCESS BASED ON ISO STANDARD KEY WORDS: cylndrcal reservors, geomatcs, automaton, on-lne controllng SUMMARY: The problem of volume determnaton of cylndrcal tanks occurs durng ther constructon phase, as well as n the course of operatng them. Currently, the Central Offce of Measures uses a smple but lttle convenent strappng method to solve ths problem. Ths method can be used just for tanks wth small shape dstortons and enables to determne only the volume of the tank tself wthout gvng any nformaton about the tank deformatons or deflectons. One of more complex measurng technologes, havng support n ISO 7507 standard and enablng the determnaton of volume and deformaton of cylndrcal tanks s the nternal electro-optcal dstance rangng method. Ths method s unversal, modern, precse and fast. It requres, however, a great care durng measurement and, n the case of tanks wth easly deformable bottoms, t s hard to use n a classc way. All of those nconvenences can be elmnated when a robotc reflectorless total staton wll be used along wth the specalsed software enablng the automaton of measurng as well as computatonal process Mgr nż. Rafał Kocerz e-mal: kocerz@agh.edu.pl tel