Исследование и разработка интеллектуального устройства искробезопасности для систем автоматики

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 взрывопожароопасных 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 настоящее время решение этой задачи возможно с построением барьеров ис-кробезопасности с использованием новой элементной базы.

Однако, в настоящее время реализация новых методов обеспечения ис-кробезопасности 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.

2. Анализ причин возникновения аварийных ситуаций в системах автоматики взрывоопасных производств.

3. Разработка функциональной модели интеллектуального устройства искробезопасности для систем автоматического управления.

4. 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 системпрограмме БипиПпк, которая является приложением к пакету МАТЬАВ. 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 искро-безопасности 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 аварийных ситуаций, возникающих при работе устройства искрозащиты.

Практическая ценность работы:

— разработка интеллектуального устройства искробезопасности на основе предложенных математических моделей;

— повышение надежности систем автоматики категорийных производств и уменьшении количества аварий в производстве при применении разработанного интеллектуального устройства икробезопасности;

— внедрение практических разработок в ЗАО «Н1И1 «Автоматика».

Реализация и внедрение результатов.

Теоретические результаты и практические разработки использованы в ЗАО «НПП «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 «НПП «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.

ВЫВОДЫ.

Результаты исследований выполненных в настоящей главе позволяют сделать следующие выводы:

1. Исследована возможность и проведена селекция вариантов решения технической реализации барьера искробезопасности на элементной базе на основе микроконтроллера семейства Aduc816 фирмы Analog Device, узел гальванического разделения реализован на интегральном изоляторе семейства Adum 1300 (Analog Device).

2. Проведены натурные испытания, которые показали, что без ухудшения погрешности передаваемых сигналов, количество ложных срабатываний уменьшилось на 26,3%.

3. В настоящее время осуществляется сертификация разработанного интеллектуального барьера искробезопасности и подготовка к его производству в ЗАО «НИИ «Автоматика».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации получены следующие результаты:

1. Впервые предложены математические модели механизма адаптации на основе рекомендаций и требований нормативных документов, позволяющие разработать интеллектуальное устройство искробезопасности для систем автоматики.

2. Разработаны следующие алгоритмы анализа и обеспечения искробезопасности, которые позволяют не допустить появление и развитие аварийных ситуаций:

— алгоритм адаптации интеллектуального устройства искробезопасности к первичным преобразователям, основанный на формировании оптимального уровня напряжения питания;

— алгоритм тестирования линии связи, основанный на обработке результатов измерений электрических параметров линии связи, полученных с помощью создания переходных процессов в рассматриваемой цепи;

— алгоритм анализа искробезопасности, основанный на верификации сигналов поступающих от датчика;

— алгоритм формирования и статистической обработки потока предупреждений и ошибок, основанный на обработке типичных аварийных ситуаций, возникающих при работе устройства искрозащиты.

3. Повышена надежность систем автоматики категорийных производств и уменьшено количество аварий в производстве при применении разработанного интеллектуального устройства икробезопасности. Проведенные компьютерное моделирование алгоритмов механизма адаптации и натурные испытания, подтвердили повышение эффективности работы интеллектуального барьера исробезопасности: уменьшилось количество ложных срабатываний барьера искробезопасности на 26,3%.

4. 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.