Содержание к диссертации
Введение
1 СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИСКРОБЕЗОПАСНОСТИ В СИСТЕМАХ АВТОМАТИКИ 11
1.1 Анализ и классификация взрывоопасных факторов в системах автоматики 11
1.2 Методы обеспечения взрывозащиты в системах автоматики 15
1.3 Технические средства обеспечения искробезопасности в системах автоматики 22
Выводы, постановка задач исследования 34
2 ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО БАРЬЕРА ИСКРОБЕЗОПАСНОСТИ ДЛЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ 36
2.1 Исследование и разработка функциональной модели интеллектуального барьера искробезопасности 36
2.2 Исследование математических моделей аварийных режимов в электрических линиях связи 41
2.2.1 Коммутационные перенапряжения в электрических сетях 41
2.2.2 Переходное сопротивление в электрических цепях 49
2.3 Исследование и создание математической модели функции адаптации интеллектуального барьера искробезопасности 52
2.4 Исследование и разработка программно-аппаратного комплекса для реализации интеллектуального барьера искробезопасности 63
2.4.1 Зависимость максимально допустимого тока от максимального напряжения в искробезопасной цепи 64
2.4.2 Зависимость максимально допустимой емкости от максимального напряжения искробезопасной цепи 66
2.4.3 Зависимость максимально допустимой индуктивности от максимального тока искробезопасной цепи 68
2.4.4 Определение параметров потенциальной надежности 69
Выводы 75
3 ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО
БАРЬЕРА ИСКРОБЕЗОПАСНОСТИ 77
3.1 Исследование и разработка алгоритмов механизма адаптации интеллектуального барьера искробезопасности 77
3.2 Компьютерное моделирование работы механизма адаптации 85
3.3 Способ практической реализации механизма адаптации 91
. Выводы 96
4 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО УСТРОЙСТВА ИСКРОБЕЗОПАСНОСТИ 98
4.1 Описание функционирования интеллектуального барьера искробезопасности 98
4.2 Разработка методики исследования функционирования интеллектуального барьера искробезопасности 103
4.3 Сравнение и анализ разработанного интеллектуального барьера искробезопасности и аналогичных устройств 107
Выводы 109
Заключение 110
Список литературы 112
Приложение 1. Основные характеристики выпускаемых гальванически
изолированных барьеров искробезопасности 117
Приложение 2. Фрагмент кода программы для моделирования работы ал
горитмов механизма адаптации в системе Simulink 122
Приложение 3. Схемы электрические принципиальные основных узлов
интеллектуального устройства искробезопасности 126
Приложение 4. Структурная схема интеллектуального устройства искро
безопасности 129
Приложение 5. Акты об использовании результатов диссертационной работы 131
- Анализ и классификация взрывоопасных факторов в системах автоматики
- Исследование и разработка функциональной модели интеллектуального барьера искробезопасности
- Исследование и разработка алгоритмов механизма адаптации интеллектуального барьера искробезопасности
- Описание функционирования интеллектуального барьера искробезопасности
Введение к работе
Актуальность работы. На современных предприятиях химической, нефтегазовой, горнодобывающей промышленности применяются автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП). Особенностью предприятий этих отраслей является применение в технологических процессах взрывопожароопасяых и токсичных веществ. Поэтому на данных предприятиях есть участки производств, которые характеризуются либо постоянным наличием взрывоопасной среды, либо существует вероятность появления взрывоопасной среды в случае аварийных ситуаций.
Поэтому повышение надежности функционирования АСУТП взрывоопасных производств является важной задачей при разработке новых элементов систем управления.
Анализ современного состояния методов и технических средств обеспечения искробезопасности систем автоматики показал следующее: задача обеспечения взрывозащиты актуальна не только при проектировании АСУТП для новых производств, но и при модернизации уже существующих; в настоящее время разработаны и используются несколько методов взрывозащиты элементов систем автоматики [1,2], сущность которых регламентируется международными и российскими стандартами [3, 4, 5, 6]. При этом наиболее широко [7, 8] в системах автоматики применяется метод взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь»; технические средства для обеспечения искробезопасности имеют тенденцию к усложнению своей структуры и увеличению количества выполняемых функций.
Таким образом, основным направлением развития и совершенствования технических средств искробезопасности систем автоматики является повышение надежности и эффективности барьеров искробезопасности. В на- стоящее время решение этой задачи возможно с построением барьеров искробезопасности с использованием новой элементной базы.
Однако, в настоящее время реализация новых методов обеспечения искробезопасности невозможна без исследования и разработки новых видов барьеров искробезопасности, получивших название «интеллектуальных». Основные отличия интеллектуальных барьеров от гальванически изолированных барьеров, равно как и от барьеров на стабилитронах, заключаются в наличии дополнительных функций, отсутствующих в современных барьерах, и направленных на: диагностику линий связи и датчика; контроль работоспособности основных блоков барьера; анализ полученных значений с точки зрения искробезопасности; адаптацию к изменениям параметров подключенного оборудования.
Это позволяет рассматривать интеллектуальный барьер искробезопасности не просто как элемент безопасности систем автоматики, но и как элемент управления, на который возложена функция выбора адекватных действий при возникновении, или при возможности возникновения аварийной ситуации.
Отсутствие вышеуказанных функций в ряде случаев приводит к появлению ложных срабатываний барьеров искробезопасности, и (или) выходу их из строя, что ухудшает эффективность работы данного средства обеспечения искробезопасности в системах автоматики. Введение подобных функций позволит уменьшить влияние человеческого фактора, и повысит надежность систем автоматики взрывоопасных производств.
Это обуславливает актуальность новых теоретических и прикладных задач при исследовании и разработке устройств искробезопасности для систем автоматики, к важнейшим задачам можно отнести следующие:
1. Исследование современных технических средств обеспечения искробезопасности систем автоматического управления.
Анализ причин возникновения аварийных ситуаций в системах автоматики взрывоопасных производств.
Разработка функциональной модели интеллектуального устройства искробезопасности для систем автоматического управления.
Исследование и создание математических моделей механизма адаптации интеллектуального барьера искробезопасности.
Целью диссертационной работы является повышение уровня взрыво-безопасности за счет исследования и разработки интеллектуального устройства искробезопасности для систем автоматики, использующего новые алгоритмы анализа и обеспечения искробезопасности.
Методы исследований. В работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследований. Теоретические методы основаны на фундаментальных положениях вычислительной математики, системного анализа, теории дифференциального исчисления и теории систем. Компьютерное моделирование работы механизма адаптации проводилось в интерактивной системе для анализа линейных и нелинейных динамических систем -программе Simulink, которая является приложением к пакету MATLAB. Экспериментальные исследования были проведены на макете. При обработке экспериментальных данных, а также при проверке адекватности математической модели использовались методы теории вероятностей и математической статистики.
Научная новизна работы: - впервые предложены математические модели механизма адаптации на основе рекомендаций и требований нормативных документов, позволяющие разработать интеллектуальное устройство искробезопасности для систем автоматики; разработан алгоритм адаптации интеллектуального устройства искробезопасности к первичным преобразователям, основанный на формировании оптимального уровня напряжения питания; разработан алгоритм тестирования линии связи, основанный на обработке результатов измерений электрических параметров линии связи, полученных с помощью создания переходных процессов в рассматриваемой цепи; разработан алгоритм анализа искробезопасности, основанный на верификации сигналов поступающих от датчика; - синтезирован алгоритм формирования и статистической обработки потока предупреждений и ошибок, основанный на обработке типичных ава рийных ситуаций, возникающих при работе устройства искрозащиты.
Практическая ценность работы: - разработка интеллектуального устройства искробезопасности на ос нове предложенных математических моделей; - повышение надежности систем автоматики категорийных произ водств и уменьшении количества аварий в производстве при применении разработанного интеллектуального устройства икробезопасности; - внедрение практических разработок в ЗАО «НЛП «Автоматика».
Реализация и внедрение результатов.
Теоретические результаты и практические разработки использованы в ЗАО «НЛП «Автоматика», г. Владимир. Разработан интеллектуальный барьер искробезопасности (ИБИБ), предназначенный для питания двухпроводных датчиков и преобразователей с объединенной линией питания и передачи сигнала 4-20 мА эксплуатируемых во взрывоопасных зонах. В настоящее время осуществляется сертификация разработанного интеллектуального барьера искробезопасности и подготовка к его производству в ЗАО «НТШ «Автоматика».
Также проведена сертификация разработанных взрывозащищенных приборов серии УГЦ-1х-Ех (измеритель гидростатического давления) и ИТ-1х-Ех (измеритель температуры) в сертификационном центре «Сертиум», г. Москва. Продукция предприятия поставляется на химические и нефтеперерабатывающие предприятия России и ближнего зарубежья.
Апробация результатов работы.
Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на научно-технической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов факультета радиофизики, электроники и медицинской техники Владимирского Государственного Университета (г. Владимир, 2003), а также на научно-методических семинарах и конференциях кафедры «Конструирование и технология радиоэлектронных средств» Владимирского государственного университета.
Публикации.
Основные результаты работы опубликованы в 6 публикациях.
Объем и структура диссертации.
Диссертация изложена на 124 страницах машинописного текста. Состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Список литературы содержит 64 наименований. Таблиц 6, рисунков 39.
В первой главе проведено исследование современного состояния средств обеспечения искробезопасности в системах автоматического управления. На основе выполненного анализа сформулированы задачи и определены цели исследования.
Во второй главе проведено исследование и разработка принципов построения интеллектуального устройства искробезопасности, рассмотрены математические модели аварийных режимов в электрических линиях связи.
Предложен программно-аппаратный комплекс для реализации интеллектуального барьера искробезопасности.
В третьей главе проведена разработка алгоритма адаптации интеллектуального устройства искрозащиты, приведены результаты компьютерного моделирования работы механизма адаптации. Предложен способ практической реализации механизма адаптации.
В четвертой главе изложено техническое описание разработанного устройства искробезопасности для систем автоматики. Приведена методика и результаты исследования функционирования разработанного устройства искробезопасности.
В приложениях содержатся основные характеристики выпускаемых барьеров искробезопасности, схемотехнические и программные решения предлагаемого интеллектуального устройства искрозащиты, и документы об использовании результатов диссертационной работы.
Анализ и классификация взрывоопасных факторов в системах автоматики
Набор критериев для классификации взрывоопасных зон базируется на вероятности и продолжительности присутствия огнеопасных смесей, а также концентрации и типе огнеопасных веществ (газ, пар, жидкость, пыль) в совокупности с такими физическими параметрами, как температура вспышки, температура самовоспламенения и минимальная электрическая энергия поджигания. Международная Электротехническая Комиссия (МЭК, МЭК 79-10 Classification of Hazardous Areas) и Европейское ссообщество (Committee for Electroteclmical Standardization, CENELEC, EN 60079-10 Classification of Hazardous Areas) рассматривают в своих стандартах три основных вида взрывоопасных зон размещения оборудования. В России согласно «Правилам устройства электроустановок», ГОСТ Р 51331.0-99 и ГОСТ Р 51331.9-99 взрывоопасные зоны подразделяются на классы (зоны)[6, 3, 10]):
- Зоны 0 (зоны класса B-I) - зоны, расположенные в помещениях, в которых выделяются горючие газы или пары легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ) в таком количестве и обладающие такими свойствами, что они могут образовать с воздухом взрывоопасные смеси при нормальных режимах работы, например при загрузке, или разгрузке технологических аппаратов, хранении или переливании ЛВЖ, находящихся в открытых емкостях, и т.д.;
- Зоны 1 (зоны класса В-1а) - зоны, расположенные в помещениях, в которых при нормальньной эксплуатации взрывоопасные смеси горючих газов (независимо от нижнего концентрационного предела воспламенения) или паров ЛВЖ с воздухом не образуются, а возможны только в результате аварий или неисправностей;
- Зоны 2 (зоны класса B-Іб, зоны класса В-1г) - зоны, расположенные в помещениях, в которых при нормальной эксплуатации взрывоопасные смеси горючих газов или паров ЛВЖ с воздухом не образуются, а возможны только в результате аварий или неисправностей.
Естественно, что Зона 0 (зоны класса B-I) представляет собой более высокую степень опасности, чем Зона 1 (зоны класса В-Ia) и соответственно Зона 2 (зоны класса B-Іб, 1г). Участки с опасностью ниже, чем в Зоне 2, считаются неопасными, поэтому здесь могут быть применены обыкновенные правила по установке и эксплуатации электрооборудования.
Во взрывоопасных зонах классов B-II и В-Па рекомендуется применять электрооборудование, специально предназначенное для работы во взрывоопасных смесях горючих волокон или пыли с воздухом. Допускается применять во взрывоопасных зонах класса В-П взрывозащищённое электрооборудование, предназначенное для работы в средах с газопаровоздушными смесями, а в зонах класса В-Па - электрооборудование общего назначения, но имеющее соответствующую защиту оболочки от проникновения пыли (соответствующую маркировку IP [11,12]).
В современных системах автоматики и электроустановках, используемых во взрывоопасных зонах, одним из распространенных источников зажигания является электрический ток. Источником зажигания является тепло, выделяемое электрическими сетями и приборами в аварийных режимах работы. Короткое замыкание, перегрузка, переходные сопротивления - характерные проявления аварийных режимов.
В Российской Федерации в электроустановках ежегодно происходит около 60000 пожаров [13]. Основная часть из них (до 80%) происходит из-за искрения в элементах электрических систем и проводке. Особую опасность представляет искрение в электроустановках горнодобывающей, нефтегазовой и химической промышленности, а также многих других взрывопожаро-опасных объектов, классифицируемых как взрывоопасные зоны.
Искрение объясняется образованием переходного сопротивления в местах соприкосновения подвижных и неподвижных контактов (реле, выключателей, разъединителей и др.) и в местах соединения проводов, шин, фидеров. Переходное сопротивление возникает в местах перехода тока с одного провода на другой или с провода на какой-либо электроаппарат при наличии плохого контакта в местах соединений и оконцеваний. При прохождении тока в таких местах за единицу времени выделяется большое количество теплоты. Искрение наблюдается при размыкании электрических цепей под нагрузкой, при пробое изоляции между проводниками, а также во всех случаях при наличии плохих контактов в местах соединения и оконцевания проводов и кабелей. Под действием электрического поля воздух между контактами ионизируется и, при достаточной величине напряжения, происходит разряд, сопровождающийся свечением воздуха и треском (тлеющий разряд). С увеличением напряжения тлеющий разряд переходит в искровой, а при достаточной мощности искровой разряд может быть в виде электрической дуги. Искры и электродуги при наличии в помещении горючих веществ или взрывоопасных смесей могут быть причиной пожара и взрыва.
Основной особенностью искрения являются относительно малые токи, непосредственно приводящие к возгоранию в электроустановках. Обычно эти токи не превышают номинальных значений, поэтому традиционные способы защиты (максимальная токовая и тепловая) не эффективны для предотвращения аварий из-за искрения. В связи с этим в настоящее время возрастает актуальность совершенствования методов и средств искрозащиты в электроустановках различного назначения. Перспективные методы обеспечения искрозащиты электроустановок основаны на непрерывном контроле тепловыделения, переходного сопротивления и других параметров электрической цепи [13].
Исследование и разработка функциональной модели интеллектуального барьера искробезопасности
Функции технологической безопасности являются неотъемлемой частью систем автоматизации технологических процессов, связанных с использованием легковоспламеняющихся и взрывоопасных веществ. Выполнение этих функций осуществляется, как правило, отдельными подсистемами, входящими в состав АСУТП объекта. Выделение систем технологической безопасности в отдельные подсистемы позволяет достичь значительно большей безопасности при их разработке, эксплуатации и обслуживании [21].
В настоящее время сложность задач и объектов управления обусловили актуальность барьеров искрозащиты нового класса, получивших название «интеллектуальных». Интеллектуальные барьеры искробезопасности характеризуются функциональным и конструктивным объединением с другими элементами систем автоматики, такими как первичные преобразователи. Это позволяет рассматривать современный барьер искробезопасности не просто как элемент системы технологической безопасности, но и как элемент управления, на который возложена функция выбора адекватных действий при возникновении, или при возможности возникновения аварийной ситуации.
В настоящее время интеллектуальные барьеры искробезопасности основываются на следующей функциональной схеме, представленной на рис. 2.1 [17, 19, 20]. Интеллектуальный барьер помимо основной своей задачи - ограничения энергии передаваемой в опасную зону, выполняет диагностику неисправностей линии связи на предмет: обрыва цепи и короткого замыкания. Также барьер выполняет преобразование сигналов в унифицированную и цифровую форму.
class3 ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО
БАРЬЕРА ИСКРОБЕЗОПАСНОСТИ class3
Исследование и разработка алгоритмов механизма адаптации интеллектуального барьера искробезопасности
Механизм адаптации реализуется средствами программного уровня интеллектуального барьера искробезопасности (ИБИБ). Главная задача механизма адаптации - повышение надежности функционирования ИБИБ, и как следствие этого повышения безопасности в системах автоматизированного управления на опасных производствах.
Для реализации функции адаптации, предложенной во 2 главе, нужно разработать следующие алгоритмы, которые будут реализованы в ИБИБ:
- алгоритм адаптации интеллектуального устройства искробезопасности к первичным преобразователям;
- алгоритм анализа искробезопасности;
- алгоритм тестирования линии связи;
- алгоритм формирования и статистической обработки потока предупреждений и ошибок.
В ходе работы алгоритмов осуществляется генерация сообщений о предупреждениях и ошибках. Под сообщениями о предупреждениях подразумевается, что в ходе работы алгоритма появились некорректные сигналы, но их появление не влияет на обеспечение искробезопасности, и не могут привести к аварийной ситуации. Под сообщениями об ошибках подразумевается, что в ходе работы алгоритма появились некорректные сигналы, которые могут привести к возникновению аварийной ситуации, и нарушению заданного уровня искробезопасности. Информация о предупреждениях просто обрабатывается и передается оборудованию более высокого уровня. А для каждого сообщения об ошибке барьером выполняется заранее определенное действие (например прекращение передачи сигналов во взрывоопасную зону).
Помимо того, что ИБИБ выполняет функцию разделения взрывоопасной зоны и взрывобезопасной зоны, он является источником питания датчика, расположенного во взрывоопасной зоне. То есть он передает энергию во взрывоопасную зону. Разумеется, эта энергия должна быть ограничена. Для нормальной работы барьер искробезопасности требует соблюдения ограничений, налагаемых на электрические параметры линии связи ( емкость С0 и индуктивность LQ). То есть значения С0 и L0 не должны превышать некоторых допустимых значений.
Предлагаемый алгоритм адаптации интеллектуального устройства искробезопасности к первичным преобразователям, основанный на формирования безопасного напряжения уровня питания датчика (см. рис. 3.1) отслеживает емкость линии связи и датчика, подключенных к искробезопасному выходу барьера, и ограничивает напряжение питания в соответствии с рассчитанным безопасным значением.
Описание функционирования интеллектуального барьера искробезопасности
Разработанные интеллектуальный барьер искробез опасности (ИБИБ) предназначен для питания двухпроводных датчиков и преобразователей с объединенной линией питания и передачи сигнала 4-20 мА эксплуатируемых во взрывоопасных зонах. А так же для преобразования сигнала 4-20 мА, протекающего в цепи питания, в унифицированный сигнал постоянного тока 4-20 мА и сигналы интерфейса RS-485 с гальваническим разделением входных и выходных цепей.
Область применения - взрывоопасные зоны помещений и наружных установок согласно маркировке взрывозащиты, гл.7.3. ПУЭ и другим нормативным документам, регламентирующим применение электрооборудования, расположенного вне взрывоопасной зоны и связанного внешними искробезо-пасными цепями с электротехническими устройствами, установленными во взрывоопасных зонах.
Условия эксплуатации:
- температура окружающего воздуха +5...+50С;
- относительная влажность окружающего воздуха до 80%;
- атмосферное давление 84...106,7 кПа.
По защищенности от проникновения пыли и воды ИБИБ имеет испол
нение IP 20 по ГОСТ 14254.
Взрывозащищеиное исполнение обеспечивается выполнением требований ГОСТ Р 51330.0 и видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь» по ГОСТ Р 51330Л0. Маркировка взрывозащиты ЕхіаІІС. Питание ИБИБ осуществляется от источника питания постоянного тока, напряжением 18...36 В. При эксплуатации барьера к его искробезопасным цепям могут подключаться датчики или преобразователи, эксплуатируемые во взрывоопасных зонах помещений и наружных установок согласно маркировке взрывозащиты, гл. 7.3 ПУЭ, и другим нормативным документам, регламентирующим применение электрооборудования во взрывоопасных зонах.
