Микропроцессорная система управления насосным агрегатом дожимной насосной станции

Благодаря модульной конструкции имеется множество различных конфигураций, включая стержневые, кабельные и гигиенические версии. При использовании защитной гильзы SensGuard обеспечивается защита CLS 200 от износа и ударов в тяжелых процессах.

Для получения дискретных данных о превышении или снижении заданных параметров давления были выбраны манометры электроконтактные ДМ-2005, так как они просты в исполнении и обладают хорошими эксплуатационными характеристиками [7].

Данный прибор является показывающим сигнализирующим манометром, предназначенным для измерения избыточного и вакуумметрического давления жидкостей, паров, газов и управления внешними электрическими цепями в схемах автоматизации и блокировки трубопровода. Основные характеристики датчика  ДМ-2005 приведены в таблице 3.3.

Таблица 3.3 - Характеристики датчика ДМ-2005

Диапазон показаний, кг/см2	От 0 до 1;1,6;2,5;4;6;10;16;25;40;60; 100; 160;250;400;600; 1000; 1600
Сила коммутируемого тока, А	до 1
Частота переменного тока, Гц	50±1
Предел допустимой основной погрешности             срабатывания сигнализирующего устройства, %	2,5-4 диапазона показаний
Диапазон   измерения избыточного давления, %	0-75 диапазона показаний вакуумметрического давления и равен диапазону показаний
Параметры сигнализирующего устройства: Напряжение внешних коммутирующих цепей	24; 27; 36; 40; 140; 220; 380 В - для цепей переменного тока; 24; 27; 36; 40; ПО; 220 В - для цепей постоянного тока;
Предел    допускаемой    основной погрешности, %	0,1
Потребляемая мощность контактов, ВА	10-30 постоянного 20-50 переменного тока
Средний срок службы датчика	12 лет

 

Для обоснования выбора датчика температуры, необходимо провести сравнительный анализ различных моделей. Удобнее всего сделать это при помощи таблицы.

 

Таблица 3.2 – Датчики температур

Технические характеристики	ТСМ Метран-253(50М)	ТСМУ Метран-274(50М)	Метран-200Т	ТС-200
Измеряемая среда	Жидких и газообразных нейтральных и агрессивных среды	Жидких и газообразных нейтральных и агрессивных среды	Сыпучие вещества, газообразные, жидкие среды	Газообразные, жидкие сыпучие среды
Диапазон измеряемых температур	-50 - 150°С	-5 - 180°С	-50 - 100°С	-50 - 200°С
Предел допустимой основной погрешности	0,1%	0,25%	0,15%	Не указана
Степень защиты от пыли и воды	IP65 по ГОСТ14254	IP65 по ГОСТ14254	Не указана	Не указана
Взрыво-защищенность	1ExdllCT6X	1ExdllCT6X	Exiallc по ГОСТ  227825	Не указана
Температура окружающей среды	-45 - 60°С	-45 - 60°С	Не указана	Не указана
Выходной сигнал	сопротивление	4 - 20мА	сопротивление	сопротивление
Гарантийный срок службы	18 месяцев	18 месяцев	Не указан	Не указан
Срок службы	Не менее 8 лет[1]	Не менее 8 лет[1]	Не указан[1]	Не менее 10 лет[3]

 

Наиболее важными критериями при выборе датчика температуры, в нашем случае, является: диапазон измеряемых температур,  взрывозащищенность и характеристика измеряемой среды.  Исходя из вышеперечисленных критериев выбираем датчик ТСМУ Метран-274(50М). К тому же он имеет унифицированный выходной сигнал, что дает возможность отказаться от использования преобразователя.

ТСМУ Метран-274 предназначены для измерения температуры различных сред путем преобразования сигнала первичного преобразователя температуры в унифицированный выходной сигнал постоянного тока.

Чувствительный элемент первичного преобразователя и встроенный в головку датчика измерительный преобразователь преобразуют измеряемую температуру в унифицированный токовый выходной сигнал, что дает возможность построения систем управления без применения дополнительных нормирующих преобразователей.

Термопреобразователи ТCМУ Метран-274-Ех могут применяться во взрывоопасных зонах, в которых возможно образование взрывоопасных смесей газов, паров, горючих жидкостей с воздухом по ГОСТ 12.1.011. Степень защиты термопреобразователя от воздействия пыли и воды IP65.

В качестве сигнализатора загазованности были выбран сигнализатор  СТМ-30, которые предназначен для непрерывного автоматического контроля взрывоопасных концентраций многокомпонентных воздушных смесей и паров.

СТМ-30 применяется в процессе добычи, переработки и транспортировки газа, нефти и нефтепродуктов. СТМ-30 состоит из блока питания и сигнализации БПС, датчика и блока обмена информацией БОИ, обслуживающего от 1 до 16 БПС.

В основу принципа действия сигнализатора положен термохимический метод, основанный на измерении теплового эффекта от окисления горючих газов и паров на каталитически активном элементе датчика, дальнейшем преобразовании полученного сигнала и выдачи сигнала о достижении предельной концентрации [10].

Сигнализатор СТМ-30 имеет следующие особенности исполнения:

• взрывобезопасное исполнение датчиков;
• световая сигнализация при достижении пороговых концентраций или неисправности датчика;
• наличие "сухих" контактов реле для подключения исполнительных устройств;
• наличие выходного унифицированного сигнала 4-20 мА;
• встроенный или выносной датчик;
• наличие цифровой индикации.

Основные характеристики сигнализатора представлены в таблице 3.3

 

Таблица 3. 3 - Характеристики сигнализатора СТМ-30

Выходной сигнал, мА	4-20
Напряжение питания, В	220
Диапазон измерений, % НПВ (нижний предел взрываемости)	0...50
Диапазон показаний, % НПВ	0...100
Основная абсолютная погрешность, % НПВ	±5
Время срабатывания сигнализации, сек	Не более 7
Резервное питание, В	24
Потребляемая мощность, ВА	Не более 10
Время работы без калибровки, месяц	6

 

Для измерения вибрации используется датчик вибрации TROLEX TX5634.

Особенности датчика TROLEX:

• выходной сигнал 4-20 мА для контроля частоты вибрации;
• контроль ускорения или скорости вибрации;
• программирование функций и уставок сигнализации при применении программируемых контроллеров TX9137 или TX9042;
• устанавливается на генераторах, насосах, коробках передач, компрессорах, турбинах и двигателях, механизмах с вращающимися частями;
• искробезопасное исполнение.

Перечень сигналов представлен в приложении Б.

3.3 Проектирование микропроцессорной  системы

3.3.1 Структура

Структурная схема системы представлена на рисунке 3.2.

 

Рисунок 3.2 – Структурная схема МПС

 

МП является центральным блоком МПС. Он управляет всеми микросхемами и производит обработку данных.

МП формирует адрес на США и осуществляет обмен с СШД.

ОЗУ предназначено для хранения промежуточных данных.

ПЗУ предназначена для хранения кода программы и различных констант.

ППИ предназначен для подключения внешних устройств. К ППИ подключены АЦП, дискретные сигналы и ПП.

АЦП предназначен для преобразования аналогового сигнала с датчиков в цифровой код.

ПП предназначен для организации обмена по последовательному каналу между диспетчерским пунктом и МП.

3.3.2 Проектирование принципиальной схемы

К МПС должна обеспечивать:

• опрос 7 аналоговых датчиков;
• сбор 8 дискретных сигналов;
• формирование 4 дискретных управляющих воздействий.

Расчет необходимого объема памяти данных производится по формуле

 

,    (3.1)

 

где и - количество аналоговых и дискретных входных сигналов соответственно; и - разрядность аналогового и дискретного сигналов.

В нашем случае и .

В итоге для хранения данных опроса датчиков необходимо

 

.     

 

В качестве центрального блока системы выбран микроконтроллер КМ1816ВЕ51. Его основными преимуществами являются:

• наличие резидентной памяти программ и данных;
• наличие встроенного ПП;
• 4 порта;
• низкое энергопотребление;
• встроенные таймеры-счетчики.

Для хранения данных используется встроенные 128 байт памяти программ МК. Программа будет храниться в резидентной памяти программ.

Для опроса аналоговых датчиков используется микросхема К572ПВ4. К преимуществам микросхемы относятся:

• наличие встроенного мультиплексора;
• автоматический опрос датчиков без участи микропроцессора;
• хранение результатов преобразования по каждому каналу во встроенной статической памяти.

Так как у МК нет выходов генератора, для формирования тактового сигнала используется микросхема генератора К531ГГ1.

Для организации обмена информации с диспетчерским пунктом используется встроенный в МК приемопередатчик. Однако ПП КМ1816ВЕ51 передает данные с помощью пятивольтовых логических сигналов: единица представляется уровнем напряжения от 2,4 В до 5 В, а нуль - от 0 до 0, 8 В. При передаче по каналу RS-232 нуль и единица кодируются одинаковыми по величине (от 5 до 12 В), но разными по знаку сигналами.

Поскольку для передачи по RS-232 пятивольтовые  логические сигналы должны быть преобразованы в сигналы другого уровня, в МПС используется микросхема MAX202E от Maxim. Она содержат преобразователь  напряжения из +5 В в ±10 В и каскады, осуществляющие преобразование логических сигналов стандартного пятивольтного уровня по стандарту RS-232. Она содержит преобразователи логического уровня для двух приемников и двух передатчиков, из которых используется только один приемопередающий канал.

Принципиальная схема МПС приведена в приложении В.

К выводам XTAL1 и XTAL2 микроконтроллера DD1 подключается кварцевый резонатор ZQ1 на 12 МГц. Для более стабильного запуска выводы кварцевого резонатора соединены с общим проводом через конденсаторы С1 и С2 емкостью 21 пФ.

При подаче напряжения питания на микроконтроллер обязателен сброс микроконтроллера. С этой целью вход RST соединен с шиной питания через конденсатор С3 емкостью 6 мкФ и с общим проводом – через резистор R1 сопротивлением 100 кОм. В момент включения питания конденсатор разряжен, и вход сброса оказывается под потенциалом, близким к напряжению питания. Несмотря на снижение этого потенциала вследствие заряда С3, в течение десятка миллисекунд уровень сигнала на входе сброса остается единичным, и осуществляется корректный запуск микроконтроллера.

На вход подается логическая единица, т.к. микроконтроллер будет выполнять программу из резидентной памяти [3].

К линиям порта P0 МК DD1 подключены дискретные входные сигналы DDAT1-DDAT8. К линиям порта P1 подключена АЦС DA1. На линиях P1.0-P1.3 формируются дискретные управляющие воздействия DOUT1-DOUT4.

Так как аналоговые датчики, подключаемые к АЦС DA1 должны иметь выходным параметром напряжение, находящееся в диапазоне от 0В до 2,5В. Для преобразования токовых сигналов датчиков в сигнал напряжения используются резисторы R2-R13 [4].

Спецификация элементов представлена в приложении Г.

3.3.3 Разработка алгоритма работы  МПС

МПС работает в следующей последовательности:

а) инициализация системы;

б) опрос датчиков;

в) управление насосным агрегатом;

г) обмен данными с диспетчерским пунктом;

д) переход к шагу б.

Блок-схемы алгоритмов программы работы МПС представлены в приложении Д, фрагмент кода программы – в приложении Е.

3.3.4 Расчет потребляемой мощности

Мощность, потребляемая всей системой, определяется как сумма мощностей, которые потребляют все части системы.

Расчет мощности сведен в таблицу 3.4.

 

Таблица 3.1 – Расчет потребляемой мощности

Тип микросхемы	Мощность, потребляемая одной микросхемой, Вт	Кол-во	Общая мощность, Вт
Микроконтроллер	1.5	1	1,5
АЦС	0,02	1	0,02
MAX202	1	1	1
Генератор	1	1	1
Резистор	0,1	15	1,5
Итого			5,02

 

Система потребляет мощность .

3.4 Устройство передачи данных

Для обеспечения обмена с диспетчерским пунктом используется преобразователь интерфейса MI 486. Он позволяет осуществлять прием/передачу данных через сеть Ethernet с компьютера со скоростью до 112 кбод.

Преобразователь интерфейса показан на рисунке 3.3.

 

Рисунок 3.3 – Преобразователь интерфейса MI 486

 

Технические характеристики:

• выходной интерфейс: RS-232;
• макс. скорость – до 112 кбод;
• входной интерфейс Ethernet 10BaseT/100BaseT;
• разъем RJ45.

3.5 Расчет надежности

В комплект технических средств входят: датчик давления Метран-100 (ДД), сигнализатор предельного уровня Pointek CLS 200 (СЗУ), манометры электроконтактные ДМ-2005 (МЭ), датчики темепературы ТСМУ Метран-274 (ДТ), сигнализатор загазованности СТМ-30 (СЗ), датчик вибрации TROLEX TX5634 (ДВ), микроконтроллер КМ1816ВЕ51 (МК), преобразователь интерфейса MI 486 (ПИ), соединительные провода и кабели.

Надежность оценивается по среднему времени безотказной работы. На рисунке 3.4 показана функциональная схема системы управления.