Разработка автоматизированной системы контроля параметров дегазации на вакуум-насосной станции

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 622.831.325.3

Разработка автоматизированной системы контроля параметров дегазации на вакуум-насосной станции

Важной задачей процесса дегазации угольных пластов является контроль параметров метановоздушной смеси в трубопроводах. К таким параметрам относятся концентрация метана, давление в трубопроводе, а также скорость (расход) и температура смеси. Обычно контроль параметров смеси производится в трубопроводах стационарных вакуум-насосных станций (ВНС), расположенных на поверхности.

В настоящее время большинство ВНС оснащено устаревшим оборудованием. Контроль и регистрация параметров смеси осуществляется оператором станции по наблюдению за показаниями стационарных приборов, а также при помощи переносной измерительной аппаратуры. Современные технологии позволяют автоматизировать этот процесс и сделать его более эффективным. В связи с этим была спроектирована система непрерывного контроля на основе современных средств автоматизации.

Автоматизированная система контроля параметров дегазации (далее система) разрабатывалась для обеспечения диспетчерской службы шахты оперативной информацией о параметрах работы системы дегазации. Но в связи с тем, что ВНС зачастую удалены от центрального диспетчерского пункта (ЦДП) на значительные расстояния, для обеспечения связи необходимо применять специальные технические средства. Для установок, расположенных на расстоянии до 500 м, возможно применение специальных блоков телеметрии (формирователей-усилителей сигнала) с последовательной передачей информации по кабельной линии. Для более удаленных установок (иногда расстояние может достигать 10 км) дело обстоит сложнее. В этих случаях для передачи информации возможно применение радиостанций.

Проект системы дистанционной передачи информации в ЦДП для удаленных ВНС находится на стадии разработки. Поэтому на первом этапе внедрения автоматизированных систем контроля была предложена организация автоматизированного рабочего места (АРМ) оператора ВНС.

Основные функции АРМ:

- непрерывный контроль концентрации метана и окиси углерода, а также скорости (расхода), давления и температуры газовой смеси;

- обработка, регистрация и представление оперативной информации о динамике контролируемых параметров в реальном масштабе времени;

- световая и звуковая сигнализация при достижении предельно допустимых режимов работы.

Кроме перечисленных основных функций АРМ в систему было решено ввести несколько дополнительных функций:

- передачи на АРМ информации о состоянии вакуум-насосов (включен/выключен);

- контроля концентрации метана в машинном зале ВНС для обнаружения опасных утечек;

- управления пускателем проветривающего воздушного вентилятора и сигнальным устройством, предупреждающим об опасности в случае утечки.

В соответствии с перечисленными функциями была разработана структурная схема системы (рисунок 1). Схема составлена для наиболее сложного варианта ВНС, включающего два дегазационных трубопровода с четырьмя вакуум-насосами на каждом.

Образующие систему средства автоматизации условно можно разделить на средства нижнего, среднего и верхнего уровней. К нижнему уровню относятся аппаратура контрольно-измерительных станций (КИС), датчик концентрации метана в машинном зале (ДКМ), сигнальное устройство (СУ), а также пускатель воздушного вентилятора (ПВВ) и пускатели вакуум-насосов.

К верхнему уровню относится персональная ЭВМ оператора (ПЭВМ), включающая специализированное программное обеспечение.

Связь верхнего и нижнего уровней системы должна обеспечиваться при помощи специализированного контроллера, который предстоит разработать.

Нижний уровень разработанной автоматизированной системы контроля, включающий технические средства КИС, ДКМ и СУ, построен на основе комплектной аппаратуры фирмы Woelke Industrieelektronik (Германия). метановоздушный дегазация насосный угольный

Контрольно-измерительная станция представляет собой комплект аппаратуры, предназначенный для измерения основных физических параметров метановоздушной смеси в отсасывающем трубопроводе.

Аппаратура КИС обеспечивает:

- измерение концентрации метана (объемной) в диапазоне 0…100 %;

- измерение концентрации окиси углерода в диапазоне 0…500 ppm;

- измерение скорости потока в пределах 2…40 м/с (либо расхода смеси в пределах 0…9,99 м³/с);

- измерение температуры смеси в диапазоне 0…55 °С;

Рисунок 1 - Структурная схема автоматизированной системы контроля параметров дегазации: КИС - контрольно-измерительная станция; ДКМ - датчик концентрации метана в машинном зале ВНС; СУ - сигнальное устройство; ПВВ - пускатель воздушного вентилятора; ПЭВМ - персональная ЭВМ оператора; C_М - объемная концентрация метана CH₄; C_ОУ - объемная концентрация окиси углерода CO; P_Т - абсолютное давление в трубопроводе; T_С - температура метановоздушной смеси; W_С - скорость движения смеси

- измерение давления в трубопроводе в пределах 400…1400 гПа;

- выдачу информации о перечисленных параметрах смеси в виде токовых сигналов в диапазоне 4…20 мА, а также вывод значений параметров на экран приборов в численном виде;

- искробезопасность и взрывозащищенность всех приборов и электрических цепей;

- бесперебойное питание станции при помощи специального блока искробезопасного питания со встроенными аккумуляторными батареями.

КИС состоит из следующих аппаратов (рисунок 2).

1) Взрывозащищенный искробезопасный блок бесперебойного питания USV 4.2d, подключаемый к промышленной сети 660 В. Прибор имеет три выходных цепи, две из которых используются для питания приборов КИС (U_XX - напряжение холостого хода, I_MAX - ограничение по току):

- выход 1: U_XX = 15 B; I_MAX = 100 мА;

- выход 2: U_XX = 12 B; I_MAX = 500 мА;

- выход 3: U_XX = 12 B; I_MAX = 500 мА.

При отключении сетевого напряжения питание выходных цепей осуществляется от встроенных аккумуляторов, которые при полной зарядке обеспечивают работу с максимальной нагрузкой в течение 8 часов.

2) Датчики (сенсоры-трансмиттеры) объемной концентрации метана и окиси углерода типов GMM 01.13.280 и GMM 03.15.280. Датчики оснащены заборными зондами, монтируемыми в трубопроводе. Приборы имеют схожую конструкцию (корпус, дисплей для отображения текущего значения измеряемого параметра, настроечную клавиатуру). Сигнал выдается в цифровой форме по специальному экранированному кабелю.

3) Блоки обработки и индикации GMM 30.00.7.1/5.0. Аппараты выполняют обработку цифровых посылок датчиков-газоанализаторов и выдачу соответствующих им стандартных электрических сигналов. Информация об измеряемом параметре выдается по двум каналам: в виде токового 4…20 мА и частотного 6…15 Гц сигналов, а также выводится на дисплей в численном виде. Прибор служит также для разделения входных питающих и выходных сигнальных проводов по отдельным экранированным кабелям.

4) Датчик параметров потока ADM1-G-4.06, производящий измерение основных физических параметров потока в отсасывающем трубопроводе через заборный зонд, монтируемый в трубопроводе. Чувствительные элементы прибора обеспечивают измерение следующих параметров:

- абсолютного давления смеси в трубопроводе;

- температуры смеси;

- скорости потока.

Информация о перечисленных параметрах выдается в цифровой форме.

Рисунок 2 - Структурная схема контрольно-измерительной станции: U_П1, U_П2 - независимые искробезопасные цепи питания напряжением 12 В; C_М - объемная концентрация метана CH₄; C_ОУ - объемная концентрация окиси углерода CO; P_Т - абсолютное давление в трубопроводе; T_С - температура метановоздушной смеси; W_С - скорость движения смеси

5) Блок обработки и индикации ADM1-GV-0.06, выполняющий обработку цифровых посылок датчика параметров потока и выдачу трех частотных сигналов 6…15 Гц, соответствующих скорости потока, абсолютному давлению и температуре смеси. Прибор имеет дисплей, отображающий значения параметров в численном виде.

6) Блок преобразователя GMA 50.00, служащий для преобразования выдаваемых блоком обработки ADM1-GV-0.06 частотных сигналов в сигналы электрического тока 4…20 мА. Значения входных и выходных сигналов выводятся на дисплей.

Датчик концентрации метана, устанавливаемый в машинном зале, отличается от датчика концентрации метана КИС другим измерительным диапазоном и конструкцией отборного устройства, предназначенного для открытой среды. В качестве ДКМ может быть применен аппарат GMM 01.04.280.

ДКМ обеспечивает:

- измерение концентрации метана в диапазоне 0…5 %;

- выдачу токового сигнала в диапазоне 4…20 мА;

- взрывозащищенность прибора.

Питание ДКМ должно осуществляться от искробезопасного источника, в качестве которого может быть использован блок бесперебойного питания КИС.

Взрывозащищенное сигнальное устройство типа AVS 4 предназначено для предупреждения рабочего персонала ВНС о возникновении опасных утечек метана в машинном зале. При воздействии на цепи управления аппарат подает круговой красный световой сигнал и пульсирующий высокотональный звуковой сигнал.

Для передачи в ПЭВМ информации о параметрах дегазации разрабатывается специализированный контроллер, который обеспечивает:

- прием и обработку 16 аналоговых сигналов (от ДКМ и КИС) и 8 дискретных сигналов о состоянии вакуум-насосов (включен/выключен) с цепей пускателей (для системы с двумя контрольно-измерительными станциями 5 каналов аналоговых сигналов остаются резервными);

- гальваническую развязку электрических цепей входных сигналов и цепей питания контроллера;

- передачу информации о входных сигналах в ПЭВМ через интерфейс RS-232 в формате ASCII;

- световую индикацию состояния аналоговых сигналов;

- управление пускателем воздушного вентилятора и сигнальным устройством.

В настоящее время разработана функциональная схема контроллера и определены основные блоки с конкретными схемотехническими решениями.

Контроллер включает следующие элементы:

- блок питания с несколькими источниками напряжения;

- узел гальванической развязки дискретных входных сигналов, выполненный на транзисторных оптопарах;

- узел гальванической развязки аналоговых входных сигналов, состоящий из изолированного коммутатора сигналов и изолированного АЦП с последовательным интерфейсом;

- микроконтроллер, координирующий работу всех узлов и выполняющий функции приема, обработки и выдачи информации;

- систему транзисторных ключей;

- блок светодиодной индикации;

- преобразователь уровней напряжений 5/±10 В для интерфейса RS-232;

- электромагнитное промежуточное реле для включения пускателя воздушного вентилятора и управления сигнальным устройством.

Для организации верхнего уровня АРМ персональная ЭВМ оператора должна быть аппаратно и программно совместимой с контроллером.

Аппаратная совместимость выполняется при наличии в составе ЭВМ последовательного COM-порта (интерфейс RS-232).

Программная совместимость требует выполнения нескольких условий:

1) необходима разработка специальной программы («драйвера») для считывания персональной ЭВМ информации из последовательного порта;

2) для реализации интерфейса пользователя требуется графическое приложение, включающее систему управления базой данных (для этих целей возможно использование SCADA-системы);

3) необходимо обеспечить полную программно-информационную совместимость «драйвера» и графического приложения пользователя.

Размещено на Allbest.ru