Введение к работе
Актуальность работы: В настоящее время во всех отраслях промышленности большое внимание уделяется автоматизации производства, что существенно сказывается на повышении производительности, качества продукции и на снижении вероятности потери контроля над технологическими процессами. Последнее особенно важно на взрывопожароопасных объектах, где утрата контроля над текущим состоянием процесса может привести к необратимым последствиям.
В соответствии с п. 5.3.2 Правил промышленной безопасности для нефтеперерабатывающих производств Ростехнадзора РФ (ПБ 09-563-03) «Рабочие и дежурные горелки необходимо оборудовать сигнализаторами погасания пламени (СПИ), надежно регистрирующими наличие пламени форсунки», т.е. функции СПИ подразумевают контроль за наличием пламени и сигнализацию в случае его погасания с последующим алгоритмом управления топливной автоматикой.
Анализируя возможность контроля наличия пламени можно сделать следующие выводы: методы контроля могут быть основаны на измерении изменения интенсивности светового потока, либо изменения электропроводности или температуры контролируемой среды, причем использование любого из методов подразумевает для повышения точности измерений необходимость введения чувствительного элемента (ЧЭ) в область открытого пламени.
Известные устройства регистрируют сигналы инфракрасного (ПК) или ультрафиолетового (УФ) диапазонов, причем необходимым условием их нормальной работы является расположение вне зоны непосредственного излучения пламени, что отрицательно сказывается на точности срабатывания из-за влияния паразитных излучений соседних горелок и раскаленной арматуры.
Таким образом, представляется целесообразным дооборудование уже существующих или вновь разрабатываемых СПИ специальным оптическим каналом передачи информации, характеристики которого допускают его использование в зоне теплового излучения пламени, таким образом уменьшая длину подверженного воздействиям помех оптического тракта и тем самым увеличивая надежность функционирования СПИ.
Целью работы является исследование и разработка методов и средств контроля погасания пламени автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) промышленных печей на базе оптоэлектронных систем с использованием средств микропроцессорной техники, а именно - исследование возможности использования кварцевого безоболочного стержня, торец которого расположен в зоне высокотемпературного теплового излучения пламени, в качестве специального высокотемпературного средства сбора и передачи информации о наличии/отсутствии пламени. Поставленная задача подразумевает:
теоретическое изучение возможности использования торца кварцевого стержня, расположенного в зоне высокотемпературного теплового излучения пламени, в качестве ЧЭ;
построение математической модели информационного канала, учитывающей влияние на функцию передачи характеристик кварцевого стержня и оптоволоконного жгута: длины, диаметра, геометрии стержня, свойств защитной оболочки;
анализ влияния неинформативных факторов при работе в промышленных условиях, в том числе исследование влияния фонового излучения на чувствительный элемент и изучение возможности его уменьшения путем изменения геометрических параметров кварцевого световода;
исследование степени влияния характеристик используемого топлива на функцию передачи;
практическое создание СПИ на базе волоконно-оптических датчиков;
анализ возможности реализации функции самодиагностики в рамках разрабатываемой системы;
реализация промышленных протоколов обмена информацией (HART, Fieldbus, Modbus, Profibus, Industrial Ethernet, RS-485) в рамках АСУТП.
Методы исследования: При выполнении работы применялся аналитический метод, основанный на рассмотрении известных энергетических (температурных) характеристик пламен и их влиянии на ЧЭ и волоконно-оптический канал с учетом накладываемых на математическую модель допусков и ограничений, решение задачи исследования выполнено на основе законов геометрической оптики распространения оптического излучения, методов дифференциального и интегрального исчисления для определения светопропускания оптического канала.
Научная новизна: Предложен, обоснован и исследован метод контроля наличия/отсутствия пламени посредством оптического канала на базе безоболочного кварцевого стержня, последовательно соединенного с волоконно-оптическим жгутом; определена возможность его функционирования в зоне высокотемпературного теплового излучения открытого пламени с использованием одного из торцов кварцевого стержня в качестве ЧЭ, сформулированы дальнейшие перспективы использования безоболочных проводных оптических структур.
Научные результаты диссертации используются в учебно-исследовательской работе, курсовом и дипломном проектировании на кафедре «Электронно-вычислительная аппаратура» Московского государственного института электроники и математики (МГИЭМ).
Практическая ценность: Разработана методика, построена математическая модель с целью определения возможности использования высокотемпературного оптического канала для детектирования наличия/отсутствия пламени с использованием составной части этого канала -торца кварцевого стержня, в качестве ЧЭ и на основании полученных результатов доказана возможность реализации поставленной задачи. Создан алгоритм обработки информации с учетом требований действующих норм и правил к устройствам данного типа.
Результаты диссертационной работы нашли применение при создании опытного образца СПИ и подготовке документации для сертификации СПИ с целью организации серийного выпуска. Опытный образец СПИ демонстрировался на выставке «Регионы России - 2005».
Автор защищает:
методику определения наличия/отсутствия пламени на основе оптоэлектронных систем с кварцевыми монолитными световодами;
возможность использования торца кварцевого безоболочного стержня в качестве ЧЭ для регистрации высокотемпературного теплового излучения пламени; математическую модель определения наличия/отсутствия пламени на основе оптоэлектронных систем с кварцевыми монолитными световодами; алгоритм функционирования «интеллектуальных» оптоэлектронных систем с кварцевыми монолитными световодами в составе промышленных АСУТП.
Апробация работы: Материалы, входящие в диссертацию, докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях «Методы и средства измерения в системах контроля и управления-2002», «Приборинформ-2003», «Датчик-2004»; конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов «МГИЭМ-2003»; ГХ-й научной конференции МГТУ «Станкин» (2006).
Публикации: По результатам работы опубликовано 11 научных статей и тезисов, получено 2 Свидетельства на полезную модель, 1 Патент на полезную модель.
Структура и объем работы: Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.
