CC BY
26
© В.В. Сергеев, К.Т. Албсгов, 2007
УДК 622.23.05
В.В. Сергеев, К.Т. Албегов
ИЗУЧЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ КАМЕРНЫХ ПНЕВМОЗАРЯДЧИКОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОВРЕМЕННОЙ АППАРАТУРЫ
Семинар № 20
Управление работой пнев-мокамерных систем
Для правильной работы пневмока-мерных систем необходимо знать какие процессы протекают в различных местах системы. Эти знания нужны для правильного понимания работы системы и выявления недостатков конструкции рассматриваемой системы. Такие измерения можно проводить в полевых или же в лабораторных условиях. Далее будет приведена электро-пневматическая схема установки для заряжания шпуров и скважин камерным пневмозарядчиком для измерения показателей параметров, протекающих процессов при работе камерного пневмозарядчика для непатронированных взрывчатых веществ (рис. 1). Схема может применяться только в лабораторных условиях.
Схема работы камерного пневмозарядчика
На схеме (рис. 1) показана работа комплексной системы по заряжанию шпуров или скважин непатрониро-ванными взрывчатыми веществами (ВС) при помощи камерного пневмозарядчика. Возможна доработка схемы для работы с двухкамерным пневмозарядчиком.
В рабочую магистраль сжатый воздух подается под давлением 0,5-0,6
МПа. Максимальная температура в рабочей зоне не превышает 50 °С.
Датчики давления Метран - 49
После проведенного анализа по имеющимся датчикам для измерения температуры и давления, приняли для установки датчики ЗАО «ПГ «Метран»».
В частности для измерения давления датчики типа Метран - 49.
Коррозионностойкие интеллектуальные датчики давления Метран -49, предназначены для измерения и работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами, обеспечивают непрерывное преобразование в унифицированный аналоговый токовый выходной сигнал или в цифровой сигнал в стандарте протокола HART. Датчики работают с вторичной регистрирующей и показывающей аппаратурой и другими устройствами автоматики, воспринимающими стандартный токовый сигнал и/или цифровой в стандарте протокола HART.
В этих датчиках имеется встроенный фильтр радиопомех, также возможность постоянной самодиагностики и т.д.
Для данных условий работы наиболее подходит датчик серии 9150 (МП 2, 3) с максимальным измеряемым давлением 2,5 МПа.
Рис. 1. Схема исследования установки для заряжания шпуров и скважин камерным пневмозарядчиком: 1 - установка для подачи сжатого воздуха в рабочую магистраль; 2 - вентиль (кран) для регулирования подачи сжатого воздуха из магистрали; 3 - датчик температуры; 4 - оатчик давления; 5 - расходомер) сжатого воздуха; 6 - трубопровод по которому происходит подача сжатого воздуха, в данном случае это гибкий шланг; 7 -камерный пневмозарядчик; 8 - барометр; 9 - шпур или скважина; 10 - компьютер
ческой пластины из искусственного сапфира.
При деформации чувствительного монокристаллического элемента под воздействием входной измеряемой величины изменяется электрическое сопротивление кремниевых пьезорезисторов мостовой схемы на поверхности этого чувствительного элемента.
Электронное устройство датчика преобразует этот электрический сигнал от термопреобразователя в стандартный аналоговый сигнал постоянного тока и/или в цифровой сигнал в стандарте протокола HART.
В памяти сенсорного блока (АЦП) хранятся в цифровом формате результаты калибровки сенсора во всем рабочем диапазоне давлений и температур. Эти данные используются микропроцессором для расчета коэффициентов коррекции выходного сигнала при работе датчика.
дит коррекцию и линеаризацию характеристики сенсорного блока, вычисляет скорректированное значение выходного сигнала и передает его в цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), который преобразует его в аналоговый выходной сигнал и/или в цифровой сигнал протокола HART (коды МП2, МПЗ).
Работа с датчиком Метран - 49 осуществляется по цифровому каналу связи с помощью управляющих устройств, поддерживающих HART протокол, и конфигурационных программ, кнопочные переключатели отсутствуют.
При включении и в процессе измерения давления датчик выполняет диагностику своего состояния. Датчики температуры Для измерения температуры предлагается использовать датчики Метран - 281, 286.
1 Время (сек) з
Интеллектуальные преобразователи температуры (ИПТ) Метран - 281, Метран - 286, предназначены для точного измерения температуры нейтральных, а также агрессивных сред.
Сигнал первичного преобразователя температуры преобразуется в унифицированный выходной сигнал постоянного тока 4-20 мА с наложенным на него цифровым сигналом HART версии 5 с физическим интерфейсом Bell - 200 с помощью электронного модуля, встроенного в корпус первичного преобразователя.
В Метран - 281, 286 реализовано три единицы измерения: градусы
Цельсия (°С), градусы Кельвина (К), градусы Фаренгейта (F).
Конструктивно Метран -281, 286 состоит из термозонда и электронного модуля, встроенного в корпус соединительной головки. В качестве первичного термопреобразователя используются чувствительные элементы из термопарного кабеля или резистивные чувствительные элементы из платиновой проволоки.
Электронный модуль (ЭМ) осуществляет:
- контроль перенастройки диапазонов измерений температуры с учетом минимальной разницы между
Рис. 2. Принцип обмена данными по HART протоколу
верхним и нижним значениями диапазона;
- детектирование обрыва или короткого замыкания первичного преобразователя температуры ((ППТ);
- самодиагностику состояния ИПТ;
- линеаризацию НСХ чувствительно элемента первичного преобразователя температуры преобразователя температуры;
- автокомпенсацию изменения термо-ЭДС от изменения температуры холодных спаев чувствительного элемента первичного преобразователя температуры.
Описание протокола HART
HART протокол использует принцип частотной модуляции для обмена данными на скорости 1200 Бод. Схема, поясняющая работу приборов по HART протоколу, представлена на рис.2.
Для передачи логической «1» HART использует один полный период частоты 1200 Гц, а для передачи логического «0» - два неполных периода 2200Гц. Как видно на рисунке, HART составляющая накладывается на токовую петлю 4-20 мА. Поскольку среднее значение синусоиды за период равно «0», то HART сигнал никак не влияет на аналоговый сигнал 4-20 мА.
HART протокол построен по принципу «главный - подчиненный», то есть полевое устройство отвечает по запросу системы.
Протокол допускает наличие двух управляющих устройств (управляю-
Рис. 3. Многоточечный режим работы датчиков
щая система и коммуникатор). Существует два режима работы датчиков, поддерживающих обмен данными по HART протоколу.
Режим передачи цифровой информации одновременно с аналоговым сигналом. Обычно в этом режиме датчик работает в аналоговых АСУ ТП, а обмен по HART протоколу осуществляется посредством HART коммуникатора или компьютера. При этом можно удаленно (расстояние до 3000 м) осуществлять полную настройку и конфигурирование датчика. Теперь оператору нет необходимости обходить все датчики на предприятии, он может их настроить непосредственно со своего рабочего места.
В многоточечном режиме (рис. 3) датчик передает и получает информацию только в цифровом виде. Аналоговый выход автоматически фиксируется на минимальном значении (только питание устройства - 4 мА) и не содержит информации об измеряемой величине. Информация о переменных процесса считывается по HART-протоколу.
К одной паре проводов может быть подключено до 15 датчиков. Их количество определяется длиной и качеством линии, а так же мощностью
блока питания датчиков. Все датчики в многоточечном режиме имеют свой уникальный адрес от 1 до 15, и обращение к каждому идет по соответствующему адресу. Коммуникатор или система управления определяет все датчики, подключенные к линии, и может работать с любым из них.
Обычно в аналоговой АСУТП присутствует множество интеллектуальных полевых приборов, работающих в режиме 4-20мА + HART. В этом случае удаленная настройка и конфигурирование датчиков при помощи HART-коммуникатора или
HART-модема требует последовательного подключения коммуникационного устройства к каждой линии 420 мА, идущей от соответствующих приборов. Для решения поставленной задачи предлагается использовать HART-мультиплексор.
При таком подходе приборы продолжают передавать измерительную информацию в систему по токовому выходу 4-20 мА, а их конфигурация может быть изменена с одного цифрового выхода управляющей системы. Связь мультиплексора с системой управления осуществляется по интерфейсу RS485 или RS232. При этом можно объединить в сеть около 500 приборов (например, 30 мульти-
Рис. 4. Управление полевыми приборами через мультиплексор
плексоров, соединенных по RS485, 16 каналов каждый). Структурная схема работы мультиплексора в аналоговой системе представлена на рис. 4 (линии 2,3,..n). Существует возможность построения с помощью мультиплексора цифровой системы сбора и визуализации информации. В этом случае каждый канал мультиплексора может опрашивать до 15 датчиков, подключенных к одной токовой петле. При таком подключении затраты на кабельную продукцию существенно снижаются (рис. 4, линия 1).
Для удобства заказчику предлагается несколько вариантов применения мультиплексоров:
- для работы с выделенного персонального компьютера предусмотрена программа «MUX-Master> разработки ПГ «Метран». Оператор, используя программу MUX-Master, может удаленно менять параметры настройки датчиков по HART-протоколу через мультиплексор, не используя контроллеры существующей АСУТП.
Мультиплексор подключается к выделенному компьютеру через последовательный порт;
- для интеграции в произвольные системы предоставляется подробное описание формата команд для самостоятельного программирования;
- для интеграции со SCADA-системами разработан OPC-сервер, позволяющий мультиплексору взаимодействовать с любой системой управления.
Протокол HART - широко известный промышленный стандарт для усовершенствования токовой петли 4-20 мА до возможности цифровой коммуникации. Использование этой технологии быстро растет, так как Заказчики уже оценили преимущества интеллектуального оборудования. Протокол HART позволяет передавать одновременно аналоговый и цифровой сигнал по одной и той же паре проводов. При этом сохраняется полная совместимость и надежность существующих аналоговых линий 420 мА.
HART это:
- открытый стандарт, работающий с любой системой управления. Протокол HART поддерживается всеми ведущими производителями оборудования и программного обеспечения в области промышленной автоматизации;
- одновременная аналоговая и цифровая коммуникация. HART протокол позволяет передавать одновременно аналоговый и цифровой сигнал по одной и той же паре проводов;
- совместимость с существующим оборудованием 4-20 мД и линиями связи. Фактически датчики с HART можно ставить на место аналоговых и с помощью средств HART-коммуникации использовать все преимущества цифрового обмена уже в существующих аналоговых системах;
- удаленная диагностика и настройка Технический персонал может дистанционно осуществлять диагностику и настройку полевых приборов, используя для этого коммуникатор или компьютер с соответствующим программным обеспечением. Это особенно удобно в зимний период времени, когда датчики расположены в труднодоступных местах, на больших расстояниях друг от друга, а также в условиях вредных или опасных производств;
- возможность подключения к одной линии нескольких датчиков. Объединение интеллектуальных датчиков в систему с цифровой передачей данных позволяет сократить расходы на кабельную продукцию, установку, наладку и на текущее техническое обслуживание;
- передача нескольких параметров одновременно. HART протокол удобен при работе с многопараметрическими приборами (например, расходомерами), т.к. позволяет получать информацию о нескольких переменных процесса по одной паре проводов;
- использование во взрывоопасных зонах. Приборы, поддерживающие HART-протокол, могут устанавливаться во взрывоопасных зонах класса 0, класса 1 и класса 2;
- оперативная информация о состоянии прибора. Непрерывная самодиагностика обеспечивает высокую надежность оборудования. Информация о состоянии прибора передается в каждом сообщении от устройства;
- доступ к параметрам прибора. Пользователь имеет возможность прочитать любые параметры датчика: значения переменных, единицы и диапазон измерения, индивидуальные параметры прибора (позиция по проекту, дата последней калибровки). ШИЗ
— Коротко об авторах-------------------------------------------------------
Сергеев В.В., Албегов К.Т. - Северо-Кавказский государственный металлургический институт ГТУ.
