БЛОК КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ

Область техники
Данное техническое решение относится к управляющим и регулирующим системам общего назначения, а именно, к средствам и системам управления компрессорными установками.
Уровень техники
Известен БЛОК УПРАВЛЕНИЯ, ЗАЩИТЫ И СИГНАЛИЗАЦИИ МОДУЛЯ КОМПРЕССОРНОГО ЗАПРАВОЧНОГО (свидетельство на полезную модель №18584, заявлено 28.12.2000 г., опубликовано 27.06.2001 г.), содержащий программируемый контроллер с модулями ввода и вывода, термостабилизатор, панель индикации и счетчик времени наработки.
Недостатком аналога являются малые функциональные возможности, не позволяющие автоматизировать диагностику состояния узлов компрессорной установки (КУ) перед пуском, контроль и управление функционированием при работе, выдачу сообщений о предаварийных и аварийных ситуациях, осуществление аварийного останова.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению аналогом (прототипом) является БЛОК КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ (свидетельство на полезную модель №27238, заявлено 15.05.2002 г., опубликовано 10.01.2003 г.).
Недостатком прототипа являются недостаточные функциональные возможности, низкие надежностные и стоимостные показатели.
Сущность технического решения
Известный блок контроля и управления содержит микроконтроллер, первый, второй и третий входы которого соединены соответственно с входами «ПУ ЩКУ» (пульт управлении щита контроля и управления), «Дискретные датчики», «Обратная связь» блока контроля и управления, модуль дискретного ввода ~ 220, модули дискретного вывода, модуль дискретного вывода ~ 220, плату индикации, соединенную первым входом с шиной микроконтроллера, клавиатуру, счетчик времени наработки, вентилятор, блок питания, соединенный с входом «Сеть ~ 220 В, 50 Гц» блока контроля и управления.
Целью настоящего технического решения является расширение функциональных характеристик, повышение надежности, улучшение стоимостных показателей.
Для достижения этого блок контроля и управления дополнительно содержит плату коммутации, первый вход-выход которой соединен с первым входом-выходом микроконтроллера, клеммную плату, первый вход и выход которой соединены соответственно с входом «Обратная связь от вентилятора» и выходом «На исполнительные механизмы компрессорной установки» блока, а первый, второй и третий входы-выходы соответственно со вторым входом-выходом платы коммутации, входом-выходом модуля дискретного ввода ~ 220, входами-выходами модулей дискретного вывода и модуля дискретного вывода ~ 220, плату расширения аналоговых входов, первый вход которой соединен с входом блока «Аналоговые датчики», второй вход с выходом платы коммутации, а выход с четвертым входом микроконтроллера, преобразователь измерительный модульный, первый вход которого соединен с входом блока «Термопреобразователи сопротивлений», плату гальванической развязки, соединенную входом-выходом со вторым входом-выходом микроконтроллера, первым и вторым выходами соответственно с первым входом счетчика времени наработки и выходом блока «ПУ ЩКУ индикация», а первым входом с клавиатурой, плату управления и защиты, соединенную выходом с вентилятором, плату распределительную, первый, второй и третий входы которой соединены соответственно с первым «+24 В, 0 В аналог.», вторым «+24 В, 0 В дискр. 2» и третьим выходами «+24 В, 0 В дискр. 1» блока питания, модуль вторичного электропитания, вход которого соединен с
четвертым выходом «+24 В» и «0 В» блока питания, пятый выход «+5 В» и «0 В» блока питания соединен со вторым входом платы индикации, а выход «+5 В стаб.» модуля вторичного электропитания с пятым входом микроконтроллера, первый выход платы распределительной «+24 В аналог.» соединен со вторым входом преобразователя измерительного модульного, а «0 В аналог.» с вторым входом платы расширения аналоговых входов, второй выход «+24 В дискр. 2» соединен со вторым входом платы гальванической развязки и входом платы управления и защиты, а «0 В дискр. 2» с входом платы управления и защиты и вторым входом счетчика времени наработки, третий выход «+24 В дискр. 1» соединен со вторым входом клеммной платы
Перечень чертежей
На фиг.1 приведена структурная схема блока контроля и управления.
На фиг.2 приведена схема электрическая подключения блока контроля и управления к компрессорной установке ВКУ с воздушным охлаждением (типа 21ВВ-6/9-М1).
На фиг.3 приведена схема электрическая подключения блока контроля и управления к компрессорной установке ВКУ с водяным охлаждением (типа 21ВВ-6/9).
Пример варианта выполнения полезной модели
Блок контроля и управления (БКУ) (фиг.1) содержит микроконтроллер RTU188-MX 1, плату коммутации 2, клеммную плату TBI-16L 3, плату расширения аналоговых входов AIMUX-32C 4, преобразователь измерительный модульный ИПМ 0196 5, плату гальванической развязки 6, плату управления и защиты 7, плату распределительную 8, блок питания 9, модуль вторичного электропитания KN30D-27S05-CN 10, плату индикации 11, модуль дискретного ввода ~ 220 70L-IACA 12, модули дискретного вывода 70L-ODCB 13, модуль дискретного вывода ~ 220 70L-ОАСА 14, счетчик времени наработки СВН-2-02 15, клавиатуру 16, вентилятор 17.
Подключение блока к внешним устройствам и внутренним цепям электропитания осуществляется с помощью следующих цепей: микроконтроллер 1 к входам 18 («ПУ ЩКУ», «Дискретные датчики», «Обратная связь», «+5 В стаб.»),
клеммная плата 3 к входам 19 («+24 В дискр.1» и «Обратная связь от вентилятора») и выходу 26 («На исполнительные механизмы КУ»), плата расширения аналоговых входов 4 к входным цепям 20 («0 в аналог.» и «Аналоговые датчики»), преобразователь измерительный модульный 5 к входным цепям 21 («+24 В аналог.» и «Термопреобразователи сопротивлений»), плата гальванической развязки 6 к цепи электропитания 22 («+24 В дискр. 2») и выходной цепи 28 («ПУ ЩКУ индикация»), плата управления и защиты 7 к цепи электропитания 23 («+24 В, 0 В дискр. 2»), плата распределительная 8 к цепям электропитания 29 («+24 В, 0 В аналог.», «+24 В, 0 В дискр. 1», «+24 В, 0 В дискр. 2»), блок питания 9 к входной цепи 24 («Сеть ~ 220 В, 50 Гц») и выходным цепям 31 («+5 В, 0 В»), модуль вторичного электропитания 10 к цепи электропитания 30 («+5 В стаб.»), плата индикации 11 к цепи электропитания 25 («0 В, +5 В»), счетчик времени наработки 15 к цепи электропитания 27 («0 В дискр. 2»),.
Блок контроля и управления является программно-управляемым устройством и предназначен для работы в составе щита контроля и управления (ЩКУ) системы автоматики компрессорных установок 21ВВ-20/9 и 21ВВ-20/9-M1.
На структурной схеме (фиг.1) представлены следующие составные части:
- специализированный микроконтроллер RTU188-MX 1, который предназначен для сбора информации от датчиков о состоянии и режимах работы оборудования КУ, автоматического управления функционированием КУ, диагностики оборудования блока контроля и управления и устройств КУ. Обеспечивает автоматическое программное управление КУ во всех режимах работы;
- плата коммутации 2, которая предназначена для коммутации сигналов с каналов UNIO RTU188-MX на платы TBI-16L HAIMUX-32C;
- клеммная плата TBI-16L 3, которая предназначена для установки 8-ми модулей оптической развязки фирмы Grayhill серий 70L/73L и предусматривает их совместную работу с каналами UNIO RTU188-MX;
- плата расширения аналоговых входов AIMUX-32C 4, которая предназначена для коммутации 32-х однопроводных или 16-ти дифференциальных аналоговых сигналов напряжения/тока в один однопроводной сигнал напряжения;
- преобразователь измерительный модульный (ИПМ) 0196/МО-420-100М 5, который предназначен для приема и преобразования сигналов от термопреобразователей сопротивления компрессорной установки (КУ) в токовый сигнал 4-20 мА;
- плата гальванической развязки 6, которая предназначена для гальванической развязки каналов универсального порта ввода-вывода контроллера RTU188-MX 1 и подключения светодиодных индикаторов пульта управления (ПУ) ЩКУ;
- плата управления и защиты 7, которая предназначена для включения вентилятора при достижении температуры внутри блока контроля и управления 28°С и защиты входной цепи AIMUX-32C от перегрузок по сигналу контроля тока главного электродвигателя (ГД);
- плата распределительная 8, которая предназначена для ограничения тока во входных цепях AIMUX-32C на уровне 22 мА и для распределения напряжения;
- блок питания 9, который предназначен для обеспечения напряжением питания модулей блока контроля и управления, аналоговых датчиков и исполнительных элементов КУ;
- модуль вторичного электропитания 10, который предназначен для электропитания модуля RTU188-MX;
- плата индикации 11, которая предназначена для отображения состояний и параметров КУ на алфавитно-цифровых индикаторах;
- модуль дискретного ввода ~ 220 70L-IACA 12, который предназначен для приема сигнала обратной связи о включении вентилятора (для ВКУ типа 21ВВ-20/9-M1);
- модули дискретного вывода 70L-ODCB 13, которые предназначены для формирования сигналов управления клапанами и главным двигателем;
- модуль дискретного вывода ~ 220 70L-OACA 14, который предназначен для формирования сигналов управления вентилятором и сиреной;
- счетчик времени наработки СВН-2-02 (счетчик моточасов) 15, который предназначен для регистрации времени работы КУ;
- клавиатура AK-1607-N-SSB-WP 16, которая предназначена для управления индикацией и ввода переменных данных в программу (изменения уставок);
- вентилятор JF-1225S2H 17, который предназначен для поддержания температурного режима внутри корпуса блока контроля и управления.
Работа блока контроля и управления (БКУ)
БКУ обеспечивает управление водяной компрессорной установки (ВКУ) во всех режимах работы, т.е. контроль состояния составных частей компрессорной установки с водяным и воздушным охлаждением (ВКУ), управление составными частями ВКУ, в том числе клапанами разгрузки, слива конденсата, включением/отключением вентилятора, а также включение и отключение главного электродвигателя (ГД) КУ.
БКУ обеспечивает возможность подключения:
- десяти датчиков с токовым выходом в диапазоне от 4 до 20 мА к каналам аналогового модуля непосредственно и шести термопреобразователей сопротивления (из них четыре с НСХ 50М и два с НСХ 100П) через измерительные модульные преобразователи;
- шестнадцати источников дискретных входных сигналов (от дискретных датчиков, обратных связей клапанов, а также органов управления ЩКУ) с уровнем напряжения = 24 В;
- двух источников дискретных входных сигналов (обратной связи органов управления ЩКУ) с уровнем напряжения ~ 220 В, частотой 50 Гц;
- подключение нагрузок к девяти дискретным выходам, шесть из которых обеспечивают коммутацию выходного сигнала с уровнем напряжения = 24 В и нагрузочной способностью до 2 А, а три - коммутацию выходного сигнала с уровнем напряжения = 24 В и нагрузочной способностью до 0,2 А. Предназначены для управления клапанами КУ и элементами индикации ЩКУ, а также для обеспечения коммутации собственных цепей БКУ;
- подключение нагрузок к двум дискретным выходам, обеспечивающим коммутацию выходного сигнала с уровнем напряжения ~ 220 В и нагрузочной способностью до 2 А. Предназначены для управления исполнительными механизмами КУ.
БКУ обеспечивает следующие режимы работы КУ:
- «Ручной» - управление КУ осуществляется сигналами с органов управления, расположенных на пульте управления щита контроля и управления (ПУ ЩКУ) или пульте дистанционного управления (ПДУ);
«Автоматический» - управление КУ осуществляется командами, передаваемыми по сети обмена данными, организованной на базе интерфейса RS485, от КСА УКС или по сигналу от датчика давления нагнетания потребителя.
Независимо от режима функционирования обеспечивается передача по интерфейсу текущих значений параметров КУ и характеристики ее состояний.
В режиме «Ручной» предусмотрены следующие подрежимы:
- «Основной» - задействованы основные команды от кнопок ПУСК, СТОП, АВАРИЙНЫЙ СТОП;
«Отладочный» - задействованы все команды для пооперационного сблокированного управления узлами КУ при проведении наладочных работ от кнопок ПУСК, СТОП, АВАРИЙНЫЙ СТОП, ВКЛЮЧИТЬ ВЕНТИЛЯТОР, РАЗГРУЗКА, СЛИВ КОНДЕНСАТА.
В режиме «Автоматический» предусмотрены следующие подрежимы:
«Основной» - автоматический пуск, разгрузка, останов производятся по сигналу с датчика давления потребителя, согласно заданным уставкам («Автоматический/Рвых»);
- «Отладочный» - управление КУ производится командами, передаваемыми по интерфейсу («Автоматический/интерфейс»),
После включения питания БКУ находится в режиме «Ручной». Переключение в режим управления «Автоматический» осуществляется нажатием на ПУ ЩКУ кнопки АВТОМАТИЧЕСКИЙ. При повторном нажатии на кнопку АВТОМАТИЧЕСКИЙ происходит переход на режим «Ручной». Переключение режимов сопровождается звуковым сигналом.
Переключение режимов работы КУ возможно только в состоянии «Стоп».
Индикация режима и подрежима осуществляется на алфавитно-цифровом индикаторе на панели индикации БКУ и на ПУ ЩКУ.
КУ может находиться в одном из трех состояний, которые отображаются на панели индикации БКУ:
- «Работа»;
- «Стоп»;
- «Аварийный останов».
При подаче напряжения питания с ПУ ЩКУ на БКУ включается специализированный микроконтроллер RTU188-MX.
В течение примерно 5 с проходит инициализация операционной системы и автоматическое тестирование узлов контроллера, после чего при отсутствии неисправности контроллера осуществляется запуск управляющей программы.
После запуска управляющая программа проверяет состояние основных элементов КУ, с задержкой 25-30 с формирует сигнал «Автоматика вкл.» и начинает опрос узлов автоматики КУ, т.е. собирается информация о состоянии кнопок управления, аналоговых и дискретных датчиков, клапанов, устройства плавного пуска и торможения, пожарного извещателя и др.
После завершения опроса узлов компрессорной установки БКУ программно устанавливает в исходные состояния (если это необходимо) все исполнительные узлы КУ, а также режим управления «Ручной».
Необходимыми условиями готовности к пуску КУ являются:
- положение кнопок управления ПУ ЩКУ, дискретных датчиков - в исходных состояниях, соответствующих полному закрытию клапанов и отключенному состоянию ГД;
- отсутствие обрывов или коротких замыканий в цепях датчиков и модулей ввода и вывода;
- соответствие аналоговых величин датчиков давления и температуры нормальным (неаварийным) значениям;
- перерыв между временем последнего отключения компрессорной установки и последующим включением должен быть не менее 10 мин.
В режиме «Ручной-Основной» происходит выполнение операций по пуску, работе, нормальному останову и аварийному останову КУ.
При получении сигнала от кнопки ПУСК и при отсутствии запрещающих состояний по результатам диагностики узлов КУ устройство кратковременно выдает сигнал включения звуковой сигнализации, после чего замыкается цепь сигнала «Пуск» в устройстве плавного пуска и торможения ATS48 для включения главного двигателя (ГД).
После включения и разгона ГД (поступления на БКУ сигнала «ГД включен») БКУ отображает состояние ВКУ «Работа» и включает счетчик времени наработки ГД, расположенный на панели индикации.
По окончанию разгона ГД включается клапан обводной (КО). Выключается КО по достижению давления после маслоотделителя (Рпмо) 4 кгс/см 2.
На экране 0 отображается информация об общей наработке БКУ
В процессе работы КУ программно осуществляется периодический контроль значений температуры и давления воздуха, масла и воды. На основе анализа результатов контроля производится управление исполнительными устройствами, выработка предупредительных и аварийных сигналов с отображением их значений на алфавитно-цифровом индикаторе.
Разгрузка КУ осуществляется, когда значение на датчике давления нагнетания потребителя (Рвых) превысит значение уставки «Рвых. МАХ (разгрузка)».
Нагрузка КУ осуществляется, когда значение на датчике давления нагнетания потребителя (Рвых) станет ниже значения уставки «Рвых. MIN (нагрузка)».
После включения ГД во время нормальной работы ВКУ (согласно уставкам «Период слива конденсата» и «Время слива конденсата») выдается команда на периодическое включение клапана слива конденсата.
Работа КУ может быть нормально завершена нажатием кнопки СТОП.
2
После получения сигнала «Стоп» КУ переводится в состояние «Разгрузка» (длительностью не менее 10 с) с открытием клапана слива конденсата. ГД отключается, когда давление нагнетания Рдмо опустится ниже 4 кгс/см2, или через 1 мин, если Рдмо не опускается ниже 4 кгс/см. Затем выдерживается пауза 1 мин, после чего закрываются клапаны слива и разгрузки, при этом последовательность нормального останова КУ завершается (после этого БКУ отображает состояние ВКУ «Стоп»).
БКУ переводит КУ в состояние «Аварийный останов» в следующих случаях:
- по поступлению сигнала от кнопки АВАРИЙНЫЙ СТОП;
- по поступлению команды «Аварийный стоп» по интерфейсу;
- при достижении любым контролируемым параметром аварийного значения.
При достижении предаварийных значений контролируемых параметров включается прерывистый звуковой сигнал и автоматически выдается предупреждающее сообщение на панели индикации (экран 1). Во всех случаях последовательность выполнения аварийного останова одинакова:
- включается длительный звуковой сигнал;
- останавливается ГД, выключается вентилятор (для КУ с воздушным охлаждением);
- включаются клапаны разгрузки, слива и удерживаются в открытом состоянии в течение 1 мин. Немедленное закрытие клапанов возможно нажатием кнопки СТОП.
Разблокирование состояния «Аварийный останов» производится нажатием кнопки СТОП.
Значения предаварийных и аварийных параметров приведены в таблице 1.
Таблица 1
Предаварийные и аварийные значения параметров КУ
Наименование параметра
Обозначение параметра
Значения параметра
Предава-рийное
Аварийное
Температура нагнетания
Тнаг
105°С
110°С
Температура нагнетания на выходе КУ
Твых
-
-
Температура масла
Тмсл
-
-
Температура воды на сливе
Твод
-
-
Температура подшипника №1 ГД
Тп1
75°С
80°С
Температура подшипника №2 ГД
Тп2
75°С
80°С
Давление нагнетания потребителя
Рвых
-
-
Давление нагнетания до маслоотделителя
Рдмо
8,8 êãñ/ñì<sup>2</sup>
9,0 êãñ/ñì<sup>2</sup>
Давление нагнетания после маслоотделителя
Рпмо
-
-
Давление масла до фильтра очистки
Рдфо
-
-
Давление масла после фильтра очистки
Рпфо
-
-
Ток фазы ГД (1 фаза)
Iгд
310 А
-
Перепад давления на маслоотделителе
dPмо
1,0 êãñ/ñì<sup>2</sup>
-
Перепад давления на фильтре очистки
dÐôî
2,0 êãñ/ñì<sup>2</sup>
-
Примечание - Температура подшипников ГД контролируется при наличии термопреобразователей сопротивлений ИПМ 0196/МО-420-100М
В режиме «Ручной-Отладочный» для выполнения операций по пуску и нормальной работе дополнительно используются органы управления: РАЗГРУЗКА, СЛИВ КОНДЕНСАТА.
Для запуска КУ в данном режиме необходимо:
- нажать и отпустить кнопку ПУСК;
- нажать кнопку ВКЛЮЧИТЬ ВЕНТИЛЯТОР (для КУ с воздушным охлаждением);
- повторным нажатием кнопки ПУСК включить ГД.
В процессе работы при нажатии кнопки РАЗГРУЗКА включается разгрузка КУ. Разгрузка прекращается при повторном нажатии той же кнопки.
При нажатии кнопки СЛИВ КОНДЕНСАТА включается клапан слива конденсата, а при отпускании - клапан выключается.
Нормальный останов и аварийный останов КУ происходят аналогично режиму «Ручной-Основной».
В режиме «Автоматический-Основной» автоматический пуск, разгрузка, останов производятся по датчику давления потребителя (параметр Рвых).
Автоматический пуск (а также нагрузка КУ во время работы) осуществляется, когда значение на датчике давления нагнетания потребителя (Рвых) станет ниже значения уставки «Рвых. MIN (нагрузка)».
Разгрузка КУ осуществляется, когда величина давления на датчике давления нагнетания потребителя (Рвых) превысит значение уставки «Рвых. МАХ (разгрузка)». Если значение Рвых не снижается до величины уставки «Рвых. MIN (нагрузка)» в течение времени, определенного уставкой «Время разгрузки до отключения», происходит автоматический останов КУ.
Следующее включение КУ автоматически произойдет, когда величина Рвых снизится до значения минимальной («Рвых. MIN (нагрузка)») уставки и т.д., но не ранее, чем через интервал в 10 мин, требуемый на охлаждение ГД.
В режиме «Автоматический-Отладочный» операции по пуску, нормальной работе, нормальному останову и аварийному останову КУ выполняются по командам, приходящим по интерфейсу внешней связи RS485.
Использование блока контроля и управления
Включение, отключение электропитания, а также управление работой БКУ производятся с ПУ ЩКУ системы автоматики КУ.
Основные органы управления средствами автоматики КУ находятся на ПУ ЩКУ: кнопки ПУСК, СТОП, АВАРИЙНЫЙ СТОП, тумблер ВЕНТИЛЯТОР (для ВКУ с воздушным охлаждением), РАЗГРУЗКА, СЛИВ КОНДЕНСАТА, кнопка переключения режимов УПРАВЛЕНИЕ РУЧНОЕ/АВТОМАТИЧЕСКОЕ, тумблер ОСНОВНОЙ/ОТЛАДОЧНЫЙ, тумблер СЕТЬ и индикаторы АВАРИЯ, УПРАВЛЕНИЕ АВТОМАТИЧЕСКОЕ, АВТОМАТИКА ВКЛЮЧЕНА, ГД ВКЛЮЧЕН, РАЗГРУЗКА, СЛИВ КОНДЕНСАТА.
На панели индикации БКУ имеется возможность отобразить содержание определенных параметров, а также производить изменение уставок, для чего нажатием соответствующих кнопок клавиатуры вызываются разные экраны. Под экраном следует понимать совокупность информации, отображаемой на обоих индикаторах. Номер экрана высвечивается в квадратных скобках в левом верхнем углу верхнего индикатора. Перечень экранов приведен в таблице 2.
Таблица 2
Номер экрана
Название экрана
Назначение
А
Помощь
Отображает список и названия экранов
0
Заставка
Отображает общую информацию
1
Работа
Основной рабочий экран, отображает номер экрана, режим работы, состояние КУ, сообщения о состоянии, аварийные сообщения, основные параметры КУ Фиксируются параметры КУ на момент аварийного останова
2
Работа (продолжение)
3
Дополнительные параметры
Содержит номер экрана, название экрана, сообщения о состоянии, аварийные сообщения, значения выходных токов датчиков КУ (mА).
4
Настройки
Содержит информацию об отказах датчиков, служит также для программной блокировки датчиков
Функционирование блока контроля и управления совместно с датчиками и исполнительными элементами компрессорной установки осуществляется с помощью рабочей управляющей программы, размещенной в памяти микроконтроллера.
Промышленная применимость
Предложенное устройство обладает широкими возможностями контроля и управления, повышенной надежностью за счет детализации причин аварийных ситуаций и непрерывной диагностики компрессорной установки, а также лучшими стоимостными характеристиками. Изготовлен опытный образец, проведены испытания, подтвердившие перечисленные характеристики.