Построение каналов систем теплотехнических измерений

В данном параграфе рассматривается современная мобильная информационно-измерительная система, предназначенная для получения объективной экспресс-оценки состояния паровой турбоустановки тепловой электростанции при проведении испытаний и оперативного определения показателей ее экономичности. Система, кроме традиционных требований по точности (в соответствии с примененными нормами din 1943 погрешность конечного результата, в частности, величины удельного расхода тепла, не должна превышать 1,2%; точность применяемых измерительных устройств и датчиков должна быть не ниже 0,2%) и надежности, отвечает и специфическим требованиям по компактности и мобильности, поскольку особенность ее применения состоит в оперативности подготовки к работе по конкретным программам диагностирования и испытаний на разных энергоблоках.

Система предназначенадля решения следующих задач:

· экспресс-оценки состояния паровой турбины и ее вспомогательного оборудования;

· сбора и накопления первичной информации о физических параметрах функционирования оборудования с целью последующего анализа и получения более точных оценок;

· определения экономичности турбоустановки.

При этом системой выполняются следующие основные функции:

· первичный сбор информации о технологических параметрах энергоблока (температура питательной и охлаждающей воды, температура пара, значения давления и перепадов давления в расходомерных сужающих устройствах, а также значения мощности энергоблока);

· представление информации в виде числовых значений температуры, давления, расхода и мощности в реальном масштабе времени с указанием единиц измерения;

· одновременный вывод на экран компьютера информации обо всех измеряемых параметрах в виде графиков различных цветов с возможностью выбора и изменения масштаба по каждому отдельному параметру;

· архивирование (с дублированием в двух файлах) параметров с задаваемой периодичностью, позволяющее выполнять параллельно или в дальнейшем в свободном режиме сравнительный анализ данных, которые были собраны за различные промежутки времени, и оценить качественные характеристики функционирования испытуемого (тестируемого) оборудования;

· формирование таблиц и протоколов с характеристиками работы паровой турбины и ее вспомогательного оборудования;

· информационное обеспечение вторичного этапа обработки результатов испытаний, в частности, расчет основных показателей экономичности турбины;

· поддержка эффективного интерфейса оператора, обеспечивающего наглядное представление технологических параметров объекта в процессе испытаний.

Построение многоточечных промышленных систем сбора данных и контроля на базе современных средств микропроцессорной техники обеспечивает автоматизированное выполнение перечисленных функций. Возможность формирования и просмотра базы данных со значительным сроком хранения информации создает условия для объективного анализа перспективности и экономической целесообразности эксплуатации энергетического оборудования.

Поставленные задачи ранее решались так называемыми наблюдателями, которые вручную заносили в журналы показания датчиков и стрелочных приборов, устанавливаемых дополнительно к штатным средствам контроля. Естественно, что точность таких измерений была низкой, а перечень выполняемых наблюдателями функций - крайне ограниченным, что и привело к поиску более эффективных решений.

Используемые технические средствапредставлены законченными изделиями, в основном известной фирмы Advantech, на базе которых в совокупности со специальным программным обеспечением создана мобильная автоматизированная измерительная система.

Выбранные средства серии ADAM-5000/485 предназначены для реализации распределенных систем, в которых сбор данных и управление исполнительными устройствами осуществляется через многоканальные модули ввода-вывода. Для организации связи устройств ADAM-5000/485 с центральным компьютером используется многоточечная сеть на базе интерфейса RS-485, обмен данными в системе осуществляется по единственной витой паре. Это упрощает монтажные и пусконаладочные работы, а также позволяет снизить общую стоимость системы за счет сокращения затрат на кабельную продукцию, разъемные соединения, повторители и дополнительные фильтры. С целью обеспечения качественной и надежной связи в устройствах серии ADAM-5000/485 реализованы специальные цепи для защиты от помех. Для защиты устройств от атмосферных разрядов, наводок и промышленных электромагнитных помех повышенной интенсивности в схемы последовательной связи процессорных блоков устройств ADAM-5000/485 введены высокоскоростные цепи подавления выбросов напряжения и защиты от перегрузок.

Приведенные достоинства ADAM-5000/485, а также малые габариты, высокая точность (основная погрешность измерения не хуже 0,1%), широкие диапазоны допустимых значений параметров эксплуатации (диапазон рабочих температур до +70°С), относительно высокий коэффициент ослабления помехи общего вида (не менее 92 дБ), малая потребляемая мощность (1,2 Вт на один модуль) и невысокая стоимость определили выбор в качестве базового оборудования системы изделий именно данной серии. Наряду с этими в комплекс технических средств включены и другие устройства фирмы Advantech.

Система имеет двухуровневую структуру.

В состав аппаратуры верхнего уровня системы входят (рис. 5.2):

· ноутбук Roverbook Pentium III/ 650 МГц и сетеобразующая аппаратура;

· ADAM-5000/485 - устройства распределенного сбора данных и управления, включающие процессорный блок (IBM PC совместимый микроконтроллер) и переменный набор многоканальных модулей ввода сигналов от устройств нижнего уровня;

· ADAM-4520 - преобразователь интерфейса RS-232 в RS-422/485 (Advantech);

· PWR-242 - источники стабилизированного вторичного напряжения (Advantech).

Оборудование нижнего уровня включает следующие датчики и устройства:

· датчики измерения перепада давления типа «Метран» с токовым выходом 4-20 мА (для измерения токовых сигналов с помощью модулей ADAM-5017 применены термостатированные резисторы С2-29 с номиналом 121 Ом);

· датчики типа «ЗОНД» с токовым выходом 4-20 мА для измерения давления в диапазонах от 10 до 100 кг/см²;

· источники стабилизированного вторичного напряжения SITOP 6ЕР1331-2ВА10 фирмы Siemens (из расчета один источник на 8 токовых датчиков);

· измерительный конвертор активной электрической мощности с токовым выходом 0-5 мА (предназначен для преобразования сигналов от трансформаторов тока и напряжения электрического генератора в стандартный нормализованный сигнал электрической мощности);

· термопары типа TXK(L) с диапазоном измеряемых температур 0...600°С;

· термометры сопротивления с номинальными статическими характеристиками 50М и 100П для измерения температуры холодных спаев термопар и температуры охлаждающей воды (диапазон измеряемых температур 0...100°С).

Подсистема ввода сигналов от датчиков построена как распределенная система сбора данных на базе устройств ADAM-5000/485 (3 шт.) с установленными в них модулями ADAM-5013 (3-канальные модули для подключения сигналов от термометров сопротивления, 3 шт.), ADAM-5018 (7-канальные модули для подключения сигналов от термопар, 3 шт.), ADAM-5017 (8-канальные модули для подключения аналоговых сигналов, 4 шт.). Эффективное разрешение АЦП многоканальных модулей ввода серии ADAM-5000 составляет 16 двоичных разрядов. Диапазон входного сигнала от термопар типа ТХК установлен равным 50 мВ, от датчиков давления и перепада давления в сужающих устройствах - 500 мВ. Настройка и калибровка каналов аналогового ввода выполняются с помощью сервисной программы, входящей в комплект поставки. Для описанной конфигурации системы предельное количество подключаемых датчиков разных типов составляет 128.

Рис. 5.2. Структура автоматизированной информационно-измерительной системы

Для связи микроконтроллеров с основным компьютером верхнего уровня организована сеть, построенная с использованием СОМ-портов устройств ADAM-5000/485 и преобразователя интерфейса ADAM-4520. В системе применен сетевой кабель промышленного назначения фирмы Belden - витая пара 9841. Общая длина коммуникаций составляет около 100 м, сегменты сети проложены в непосредственной близости от штатных кабельных трасс. Обмен с устройствами ADAM-5000/485 осуществляется адресуемыми сообщениями, представленными наборами символьных строк в формате ASCII.

Питание устройств верхнего уровня (ADAM-5000/485 и ADAM-4520) производится от автономных источников стабилизированного напряжения PWR-242 (3 шт.). На нижнем уровне применяются менее мощные источники SITOP 6EP1331-2BA10 (6 шт.), что упрощает задачу подбора требуемых токов питания для конкретной конфигурации датчиков. Источники обоих типов предназначены для работы в промышленных условиях и отличаются малыми габаритами.

В силу особенностей мобильного применения системы (переконфигурирование с учетом особенностей определенного объекта, ограниченное время эксплуатации на одном объекте и т.п.), распределенного характера ее архитектуры, а также относительно высокой устойчивости к внешним помехам и температурным перепадам электронная аппаратура системы не предполагает обязательного размещения в каких-либо конструктивах (рис. 5.2).

Описанный комплекс технических средств позволяет произвести требуемые измерения и обработать их результаты. Минимальный перечень параметров, необходимых для формирования системой вывода об экономичности турбины и ее элементов, включает порядка 50 позиций, среди которых можно выделить следующие группы параметров:

· температуры пара, питательной и циркуляционной воды, конденсата, дренажей;

· давление пара и перепады давления;

· расход пара, воды и конденсата;

· электрическая мощность.

На основе анализа накопленных данных делается окончательный вывод о технологическом состоянии турбоустановки и в первую очередь об ее экономичности.

5.3. Информационно-измерительные каналы системы контроля

и диагностирования прецизионного технологического оборудования

5.3.1. Информационно-измерительный канал теплового поля

прецизионных металлорежущих станков

Наиболее приемлемыми по характеристикам и точности для измерения и контроля температуры технологических объектов, в том числе находящихся в эксплуатации, служат следующие: термометры сопротивления на основе металлов (меди ТСМ, платины ТСП и т.д.), термопары: хромель-копель (ТХК), хромель-алюмель (ТХА) и т.п., полупроводниковые термодатчики (на основе кремния, германия и др.). Перспективными из перечисленных являются датчики температуры на основе полупроводниковых элементов, так как, обладая достаточно высокой чувствительностью - 0,1°С, точностью -0,2...0,5°С, линейностью характеристик менее 1% и приемлемым типовым диапазоном температур от 0 до +200°С для станочных объектов, они относительно легко встраиваются в автоматизированные информационно-измерительные системы на основе ЭВМ благодаря простому и, в свою очередь, надежному аппаратному преобразованию сигналов от них в цифровую форму.

Исследования технологической надежности ТОУ, проведенные в СГТУ, для станков с ЧПУ 1Е61МТ, токарных модулей гаммы ТПАРМ, суперфинишных полуавтоматов МДА-92 и других станков, предназначенных для финишных операций, показали, что между температурой в характерных точках теплового поля станка и изменением размеров обрабатываемых деталей существует сильная корреляционная связь: стабилизация точности обработки наступала только после стабилизации температуры элементов конструкции станка.

Для изменения тепловых полей указанных объектов машиностроения в СГТУ разработан и реализован в различных вариантах блок термоконтроля (БТК), предназначенный для регистрации температуры элементов конструкции станков и ввода информации в канал ЭВМ управления станком либо в канал внешней ЭВМ при работе блока в автономном режиме. БТК является информационно-измерительным каналом (ИИК), автоматизированной СКД высокоточных (прецизионных) металлорежущих станков.

В состав БТК могут входить до нескольких десятков частотных датчиков температуры (ЧДТ) и схема обработки информации (рис. 5.3). ЧДТ предназначен для измерения постоянных и медленно изменяющихся температур металлических конструкций и иных объектов, установка датчика на которые не вносит искажений в их температурные поля. Принцип действия ЧДТ основан на последовательном преобразовании изменения температуры в изменение сопротивления, а затем - в частоту выходного сигнала. Схема обработки информации монтируется на плате в конструктиве микроЭВМ «Электроника МС 1201», применяемой для управления прецизионными токарными модулями гаммы ТПАРМ и технологическим модулем ТМ-500, на которых испытывался БТК, или в конструктиве современного компьютера IВМ РС. В последнем варианте БТК прошел апробацию на суперфинишных и шлифовальных станках в качестве автономного ИИК теплового поля.

ЧДТ

Схема обработки информации

Д0

ВП1

Схемы

БР1

· · ·

· · ·

Коммутатор

синхронизации и преобразования

· · ·

СОА

ШФ

Дn

ВПn

сигналов

БРn

Схема индикации

Интерфейс

ЭВМ

Рис. 5.3. Функциональная схема БТК:

Д₀... Д_n - частотные датчики температуры; ВП₁ ... ВП_n - вторичные преобразователи;

БР₁... БР_n - буферные регистры; СОА- схема опознавания адреса регистров;

ШФ - шинные формирователи

БТК обладает следующими техническими характеристиками: количество термодатчиков - 4...16 шт., диапазон измеряемых температур - +10...60°С, дискретность измерения - 0,1°С, погрешность измерений - ±0,2°С. Ввод информации о параметрах температурного поля МРС в канал ЭВМ осуществляется через интерфейсную плату И2, входящую в комплект внешних устройств микроЭВМ «Электроника МС 1201», или интерфейс параллельного ввода информации компьютера типа IВМ. Для ввода температурной информации разработана программа, согласно которой ЭВМ воспринимает массив данных в двоичных кодах, запоминает его в ячейках ОЗУ, а затем переводит в десятичные коды и распечатывает на принтере. ЭВМ считывает информацию по команде от таймера в течение цикла опроса термодатчиков, а в остальное время может производить математическую обработку поступившего массива (в том числе, расчет коэффициентов корреляции температуры в точках теплового поля и точности обработки деталей, вычисление данных для введения коррекции в управляющую программу).

Таким образом, на основании вышеизложенного можно отметить следующее:

- ранее выполненные исследования влияния температурных возмущений на точность обработки прецизионных станков с ЧПУ и модулей ГПС показывают целесообразность контроля температурного поля прецизионных автоматизированных станков для стабилизации процесса формообразования;

- аппаратурная реализация БТК позволяет с высокой точностью и достоверностью осуществить контроль температуры элементов конструкции станков;

-применение БТК в качестве ИИК контроля и диагностирования тепловых полей станков позволяет организовать корректирующий алгоритм, обеспечивающий поддержание точности обработки на станке в течение длительного времени (двух-трехсменной работы).

5.3.2. Информационно-измерительный канал контроля подсистемы обеспечения технологической жидкостью