Схема автоматизации насосного агрегата представлена в приложении А.

Для выбора средства измерения избыточного давления будет произведен сравнительный анализ нескольких датчиков различных фирм. Характеристики представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Датчики давления

Больше всего, по совокупности характеристик подходит датчик избыточного давления Метран - 100. При сходных параметрах, он имеет самую низкую погрешность. К тому же интервал поверки этого прибора больше, чем у представленных аналогов, что позволит снизить затраты на его обслуживание.

Рисунок 3.1 - Датчик давления Метран-100

Интеллектуальные датчики давления серии Метран-100 предназначены для измерения и непрерывного преобразования в унифицированный аналоговый токовый сигнал и/или цифровой сигнал в стандарте протокола HART, или цифровой сигнал на базе интерфейса RS485 следующих входных величин:

- избыточного давления (Метран-100-ДИ);

- абсолютного давления (Метран-100-ДА);

- разрежения (Метран-100-ДВ);

- давления-разрежения (Метран-100-ДИВ);

- разности давлений (Метран-100-ДД);

- гидростатического давления (Метран-100-ДГ).

Конфигурирование датчика:

- кнопочное со встроенной панели;

- с помощью HART-коммуникатора;

- с помощью программы HART-Master и компьютера. Доступ к параметрам датчика через ОРС-сервер.

Прибор оборудован встроенным фильтр радиопомех, внешней кнопкой установки "нуля". Так же имеется функция непрерывной самодиагностики.

Измеряемые среды: жидкости (в т. ч. нефтепродукты), пар, газ, в т. ч. газообразный кислород и кислородосодержащие газовые смеси.

Диапазоны измеряемых давлений:

минимальный 0-0,04 кПа;

максимальный 0-100 МПа.

Диапазон перенастроек пределов измерений до 25: 1

Наличие исполнений:

взрывозащищенное (Ех, Вн);

кислородное.

Внесены в Госреестр средств измерений, сертификат №11320.

Для сигнализации уровня утечек используется сигнализатор предельного уровня Pointek CLS 200.

Pointek CLS 200 - это универсальный, емкостный сигнализатор с высокой химической стойкостью. Он идеально подходит для регистрации уровня разделительных слоев, сыпучих вещеcтв, жидкостей, взвесей и пены, а также для простого управления насосами.

Преимущества

литая конструкция защищает сигнальный контур от ударов, вибрации, влаги и/или конденсата;

высокая химическая стойкость;

регистрация уровня независимо от близости стенки танка/трубы;

сигнализатор с высокой/низкой чувствительностью покрывает широкий спектр приложений/материалов;

аналоговая версия: 3 СИД для индикации и контроля установок, состояния переключения и напряжения;

цифровая версия: встроенная индикация ЖКД и коммуникация PROFIBUS PA;

имеются стержневые, кабельные зонды и гигиеническая конструкция;

простая установка и ТО;

высокая частота (5,5 МГц).

Pointek CLS 200 поставляется в аналоговой и цифровой версиях.

Аналоговая версия имеет 3 СИД с простыми релейными или транзисторными функциями тревоги.

Цифровая версия имеет встроенную ЖКД-индикацию для использования в качестве автономного устройства и при необходимости с коммуникацией PROFIBUS PA (версия профиля 3.0, Class B).

Гальванически разделенное электропитание подходит для широкого диапазона напряжения (AC/DC 12 до 250 V для аналоговой версии и DC 9 до 32 V для цифровой версии). Зонд из нерж. стали и PPS (PVDF как опция) выдерживает температуры до 125°C на соприкасающейся с продуктом части. Сигнализатор реагирует на материалы с диэлектрической постоянной от 1,5 или больше, регистрируя изменения несущей частоты. Он может быть настроен таким образом, чтобы определение происходило еще до касания или при касании. CLS 200 работает независимо от материала стенки танка или трубы. Для него не нужно внешнего опорного электрода для регистрации уровня в непроводящих резервуарах из бетона или пластика.

Благодаря модульной конструкции имеется множество различных конфигураций, включая стержневые, кабельные и гигиенические версии. При использовании защитной гильзы SensGuard обеспечивается защита CLS 200 от износа и ударов в тяжелых процессах.

Для получения дискретных данных о превышении или снижении заданных параметров давления были выбраны манометры электроконтактные ДМ-2005, так как они просты в исполнении и обладают хорошими эксплуатационными характеристиками [7].

Данный прибор является показывающим сигнализирующим манометром, предназначенным для измерения избыточного и вакуумметрического давления жидкостей, паров, газов и управления внешними электрическими цепями в схемах автоматизации и блокировки трубопровода. Основные характеристики датчика ДМ-2005 приведены в таблице 3.3.

Таблица 3.3 - Характеристики датчика ДМ-2005

Для обоснования выбора датчика температуры, необходимо провести сравнительный анализ различных моделей. Удобнее всего сделать это при помощи таблицы.

Таблица 3.2 - Датчики температур

Наиболее важными критериями при выборе датчика температуры, в нашем случае, является: диапазон измеряемых температур, взрывозащищенность и характеристика измеряемой среды. Исходя из вышеперечисленных критериев выбираем датчик ТСМУ Метран-274 (50М). К тому же он имеет унифицированный выходной сигнал, что дает возможность отказаться от использования преобразователя.

ТСМУ Метран-274 предназначены для измерения температуры различных сред путем преобразования сигнала первичного преобразователя температуры в унифицированный выходной сигнал постоянного тока.

Чувствительный элемент первичного преобразователя и встроенный в головку датчика измерительный преобразователь преобразуют измеряемую температуру в унифицированный токовый выходной сигнал, что дает возможность построения систем управления без применения дополнительных нормирующих преобразователей.

Термопреобразователи ТCМУ Метран-274-Ех могут применяться во взрывоопасных зонах, в которых возможно образование взрывоопасных смесей газов, паров, горючих жидкостей с воздухом по ГОСТ 12.1.011. Степень защиты термопреобразователя от воздействия пыли и воды IP65.

В качестве сигнализатора загазованности были выбран сигнализатор СТМ-30, которые предназначен для непрерывного автоматического контроля взрывоопасных концентраций многокомпонентных воздушных смесей и паров.

СТМ-30 применяется в процессе добычи, переработки и транспортировки газа, нефти и нефтепродуктов. СТМ-30 состоит из блока питания и сигнализации БПС, датчика и блока обмена информацией БОИ, обслуживающего от 1 до 16 БПС.

В основу принципа действия сигнализатора положен термохимический метод, основанный на измерении теплового эффекта от окисления горючих газов и паров на каталитически активном элементе датчика, дальнейшем преобразовании полученного сигнала и выдачи сигнала о достижении предельной концентрации [10].

Сигнализатор СТМ-30 имеет следующие особенности исполнения: взрывобезопасное исполнение датчиков; световая сигнализация при достижении пороговых концентраций или неисправности датчика; наличие "сухих" контактов реле для подключения исполнительных устройств; наличие выходного унифицированного сигнала 4-20 мА; встроенный или выносной датчик; наличие цифровой индикации.

Основные характеристики сигнализатора представлены в таблице 3.3

Таблица 3.3 - Характеристики сигнализатора СТМ-30

Для измерения вибрации используется датчик вибрации TROLEX TX5634.

Особенности датчика TROLEX:

- выходной сигнал 4-20 мА для контроля частоты вибрации;

- контроль ускорения или скорости вибрации;

- программирование функций и уставок сигнализации при применении программируемых контроллеров TX9137 или TX9042;

- устанавливается на генераторах, насосах, коробках передач, компрессорах, турбинах и двигателях, механизмах с вращающимися частями;

- искробезопасное исполнение.

Перечень сигналов представлен в приложении Б.

3.3 Проектирование микропроцессорной системы

3.3.1 Структура

Структурная схема системы представлена на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 - Структурная схема МПС

МП является центральным блоком МПС. Он управляет всеми микросхемами и производит обработку данных.

МП формирует адрес на США и осуществляет обмен с СШД.

ОЗУ предназначено для хранения промежуточных данных.

ПЗУ предназначена для хранения кода программы и различных констант.

ППИ предназначен для подключения внешних устройств. К ППИ подключены АЦП, дискретные сигналы и ПП.

АЦП предназначен для преобразования аналогового сигнала с датчиков в цифровой код.

ПП предназначен для организации обмена по последовательному каналу между диспетчерским пунктом и МП.

3.3.2 Проектирование принципиальной схемы

К МПС должна обеспечивать:

- опрос 7 аналоговых датчиков;

- сбор 8 дискретных сигналов;

- формирование 4 дискретных управляющих воздействий.

Расчет необходимого объема памяти данных производится по формуле

, (3.1)

где и - количество аналоговых и дискретных входных сигналов соответственно; и - разрядность аналогового и дискретного сигналов.

В нашем случае и .

В итоге для хранения данных опроса датчиков необходимо

.

В качестве центрального блока системы выбран микроконтроллер КМ1816ВЕ51. Его основными преимуществами являются:

- наличие резидентной памяти программ и данных;

- наличие встроенного ПП;

- 4 порта;

- низкое энергопотребление;

- встроенные таймеры-счетчики.

Для хранения данных используется встроенные 128 байт памяти программ МК. Программа будет храниться в резидентной памяти программ.

Для опроса аналоговых датчиков используется микросхема К572ПВ4. К преимуществам микросхемы относятся:

- наличие встроенного мультиплексора;

- автоматический опрос датчиков без участи микропроцессора;

- хранение результатов преобразования по каждому каналу во встроенной статической памяти.

Так как у МК нет выходов генератора, для формирования тактового сигнала используется микросхема генератора К531ГГ1.

Для организации обмена информации с диспетчерским пунктом используется встроенный в МК приемопередатчик. Однако ПП КМ1816ВЕ51 передает данные с помощью пятивольтовых логических сигналов: единица представляется уровнем напряжения от 2,4 В до 5 В, а нуль - от 0 до 0, 8 В. При передаче по каналу RS-232 нуль и единица кодируются одинаковыми по величине (от 5 до 12 В), но разными по знаку сигналами.

Поскольку для передачи по RS-232 пятивольтовые логические сигналы должны быть преобразованы в сигналы другого уровня, в МПС используется микросхема MAX202E от Maxim. Она содержат преобразователь напряжения из +5 В в ±10 В и каскады, осуществляющие преобразование логических сигналов стандартного пятивольтного уровня по стандарту RS-232. Она содержит преобразователи логического уровня для двух приемников и двух передатчиков, из которых используется только один приемопередающий канал.

Принципиальная схема МПС приведена в приложении В.

К выводам XTAL1 и XTAL2 микроконтроллера DD1 подключается кварцевый резонатор ZQ1 на 12 МГц. Для более стабильного запуска выводы кварцевого резонатора соединены с общим проводом через конденсаторы С1 и С2 емкостью 21 пФ.

При подаче напряжения питания на микроконтроллер обязателен сброс микроконтроллера. С этой целью вход RST соединен с шиной питания через конденсатор С3 емкостью 6 мкФ и с общим проводом - через резистор R1 сопротивлением 100 кОм. В момент включения питания конденсатор разряжен, и вход сброса оказывается под потенциалом, близким к напряжению питания. Несмотря на снижение этого потенциала вследствие заряда С3, в течение десятка миллисекунд уровень сигнала на входе сброса остается единичным, и осуществляется корректный запуск микроконтроллера.

На вход подается логическая единица, т.к. микроконтроллер будет выполнять программу из резидентной памяти [3].

К линиям порта P0 МК DD1 подключены дискретные входные сигналы DDAT1-DDAT8. К линиям порта P1 подключена АЦС DA1. На линиях P1.0-P1.3 формируются дискретные управляющие воздействия DOUT1-DOUT4.

Так как аналоговые датчики, подключаемые к АЦС DA1 должны иметь выходным параметром напряжение, находящееся в диапазоне от 0В до 2,5В. Для преобразования токовых сигналов датчиков в сигнал напряжения используются резисторы R2-R13 [4].

Спецификация элементов представлена в приложении Г.

3.3.3 Разработка алгоритма работы МПС

МПС работает в следующей последовательности:

а) инициализация системы;

б) опрос датчиков;

в) управление насосным агрегатом;

г) обмен данными с диспетчерским пунктом;

д) переход к шагу б.

Блок-схемы алгоритмов программы работы МПС представлены в приложении Д, фрагмент кода программы - в приложении Е.

3.3.4 Расчет потребляемой мощности

Мощность, потребляемая всей системой, определяется как сумма мощностей, которые потребляют все части системы.

Расчет мощности сведен в таблицу 3.4.

Таблица 3.1 - Расчет потребляемой мощности

Система потребляет мощность .

3.4 Устройство передачи данных

(информационное)

Схема автоматизации

Рисунок А.1 - Схема автоматизации насосного агрегата

Приложение Б

Принципиальная схема МПС

Рисунок В.1 - Принципиальная схема МПС

Приложение В