АВТОМАТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ПОДОГРЕВАТЕЛЕМ ГАЗА
AUTOMATIC GAS HEATER CONTROL DEVICE

Изобретение относится к управляющим и регулирующим системам общего назначения и может быть использовано в устройствах для контроля и автоматического управления подогревателем газа, нефти, нефтяных эмульсий, воды и других продуктов.
Известна система управления и контроля положения регулирующих органов (авторское свидетельство SU на изобретение №1284408), которая содержит блок управления, командный блок, блок коммутации, клеммы, шины.
Известны также системы управления предпусковым подогревателем двигателя внутреннего сгорания [патент RU на изобретение №2213251]. В данную систему входит блок управления, состоящий из процессорного узла, узла контроля датчиков, узла включения исполнительных устройств, узла индикации, узла органов управления, блока питания.
Известны также устройства для управления жидкостным подогревателем [патенты SU на изобретение №966276, №1260553, RU на изобретение №2183797]. Данные устройства содержат узел управления, коммутирующий узел, цепи согласования и обратной связи, модуль питания. В части из них есть реле времени, например в устройстве для автоматического управления работой жидкостного подогревателя [патент SU на изобретение №1260553].
Известны также блок управления «Старт-02» [http://obshchemash.ru/Blocupr/start2.htm, ООО «Общемаш»], предназначенный для обеспечения автоматизированного розжига и контроля рабочего состояния газовых и жидкотопливных горелок промышленного энергетического оборудования, и комплексная система управления «Мак-07» [ООО «Эльком-НН»], предназначенная для автоматизации работы подогревателей газа, автоматизации работы водогрейных котлов и мини-котельных.
Известен также комплекс средств автоматизации газопоршневого электроагрегата [патент RU на изобретение №2218587], относящийся к регулирующим и управляющим системам общего назначения. Вышеназванный комплекс содержит программируемый контроллер, модули дискретного ввода и дискретного вывода, источник питания, блок реле, панель управления и индикации, автоматический выключатель.
Известны также блоки управления, защиты и сигнализации модуля компрессорного заправочного (патенты RU на ИЗ №2211471 и ПМ №18584), содержащие программируемый контроллер, состоящий из модуля процессора с флеш-памятью с системной шиной VME, модулей дискретного ввода и дискретного вывода, панель индикации, термостабилизатор, счетчик времени наработки.
Известен также блок управления подогревателем газа [паспорт БУК-5ПГ.1 ООО НПП «Тан-ИТ», Саратов, с.1, 3, 5, 6, 15], имеющий закрытый металлический корпус, внутри которого размещены печатная плата с однокристальным микроконтроллером и вспомогательными элементами, трансформатор питания с выпрямителями и стабилизаторами. На стенках корпуса - органы оперативного управления, разъемы для подключения внешних датчиков и исполнительных устройств, элементы рабочей и аварийной сигнализации и предохранители. Питание блока осуществляют от сети переменного тока напряжением 220 В. Блок размещают в закрытом отапливаемом помещении, подключают к управляемому подогревателю через промежуточные клеммные коробки. Вышеназванный блок управления осуществляет автоматический дистанционный розжиг и защитное отключение подогревателя при недопустимом отклонении контролируемых параметров, срабатывание аварийной и рабочей сигнализации.
Однако данный блок не может быть размещен непосредственно на подогревателе, поскольку он функционирует только в отапливаемом помещении. У данного блока управления ограничена также возможность изменения параметров программы розжига из-за недостаточного объема памяти микроконтроллера и регулирования значения температуры нагреваемого продукта и нет связи с верхним уровнем автоматизированной системы управления АСУ.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является блок контроля и управления [патент RU на изобретение №2275669], содержащий микроконтроллер, преобразователь измерительный модульный, клеммную плату, модули дискретного ввода и дискретного вывода, плату индикации, блок питания, плату расширения аналоговых входов, плату гальванической развязки, плату управления и защиты, счетчик времени наработки. Плата индикации связана через микроконтроллер с дискретными датчиками, пультом управления щитом контроля и управления. Микроконтроллер также соединен с платой коммутации, платой расширения аналоговых входов, платой гальванической развязки. Преобразователь измерительный модульный соединен с платой расширения аналоговых входов. Модули дискретного ввода и вывода соединены с клеммной платой.
Однако в блок управления и контроля входит большое количество функциональных модулей, и данный блок не имеет возможности оперативного изменения параметров программы, поскольку нет связи с верхним уровнем АСУ.
Задачей заявляемого устройства является упрощение конструкции при сохранении его функциональных возможностей.
Сущность заявляемого изобретения. Автоматическое устройство управления подогревателем газа характеризуется тем, что оно содержит контроллер, имеющий порты ввода и вывода дискретных сигналов, порт ввода аналоговых сигналов, универсальный порт ввода-вывода UNIO48, порт коммуникационного интерфейса, клеммы для ввода питания, панель релейной коммутации, преобразователь напряжения, клеммную плату, светодиодные индикаторы с встроенными резисторами, клеммы для вывода на функциональные элементы подогревателя и на верхний уровень автоматизированной системы управления, причем порт вывода дискретных сигналов соединен с панелью релейной коммутации, клеммы для ввода питания соединены с преобразователем напряжения, универсальный порт ввода-вывода UNIO48 - с светодиодными индикаторами через клеммную плату, порты ввода дискретных и аналоговых сигналов - с клеммами для вывода на дискретные и аналоговые датчики подогревателя, порт коммуникационного интерфейса - с клеммами для вывода на верхний уровень автоматизированной системы управления; панель релейной коммутации и преобразователь напряжения соединены параллельно, панель релейной коммутации и преобразователь напряжения соединены в свою очередь с клеммами для вывода на исполнительные элементы подогревателя.
Кроме того, заявляется автоматическое устройство управления подогревателем газа с вышеназванными признаками, в котором клеммы для вывода выполнены в отдельном отсеке.
Кроме того, заявляется автоматическое устройство управления подогревателем газа с вышеназванными признаками, в котором панель релейной коммутации содержит параллельно соединенные электромагнитные реле.
Кроме того, заявляется автоматическое устройство управления подогревателем газа с вышеназванными признаками, в котором порт коммуникационного интерфейса контроллера представляет собой интерфейс типа RS-485.
Технический результат достигается за счет упрощения конструкции, не ограничивая при этом необходимых функциональных возможностей. Благодаря разработанному коллективом авторов заявляемому устройству возможно осуществление настройки параметров программы розжига, параметров алгоритма регулирования температуры нагреваемого продукта, а также опроса дискретных датчиков с верхнего уровня АСУ. Данное устройство осуществляет также отображение состояния исполнительных устройств и датчиков с помощью светодиодных индикаторов, непрерывное осуществление передачи информации о состоянии подогревателя, а именно о работе, останове, аварии и о текущей температуре нагреваемого продукта на верхний уровень АСУ, а также прием команд с верхнего уровня АСУ. Данное устройство разработано для применения при автоматическом розжиге подогревателя, для автоматического контроля состояния датчиков, осуществляющих технологический процесс, поддержания заданного значения температуры нагреваемого продукта в заданных пределах, контроля аварийных ситуаций и связи с верхним уровнем АСУ. Заявляемое устройство может эксплуатироваться в условиях открытого воздуха с температурой окружающей среды от -40°С до +50°С. Этим и объясняется ряд характерных признаков - устойчивостью к влаге, жаре, морозу конструкции, и в связи с этим стало возможным размещение автоматического устройства управления подогревателем газа непосредственно на подогревателе, в связи с этим уменьшается длина кабельных связей, соединяющих заявляемое устройство и подогреватель, и исключается необходимость использования промежуточных клеммных коробок в отличие от одного из вышеназванных аналогов. Автоматическое устройство управления подогревателем газа реализует автоматический режим управления подогревателем.
Заявляемое изобретение иллюстрируется с помощью прилагаемых фиг.1-3 и таблицы, на которых представлены:
Фиг.1 - схема структурная заявляемого устройства;
Фиг.2 - схема структурная подключения заявляемого устройства к подогревателю;
Фиг.3 - схема электрическая заявляемого устройства;
Таблица - перечень элементов, приведенных на схеме электрической, на которых позициями 1-16 обозначены:
1 - контроллер;
2 - панель релейной коммутации;
3 - преобразователь напряжения;
4 - клеммная плата;
5 - светодиодные индикаторы;
6 - клеммы для вывода;
7 - порт ввода дискретных сигналов;
8 - порт ввода аналоговых сигналов;
9 - порт вывода дискретных сигналов;
10 - порт ввода-вывода UNIO48;
11 - порт коммуникационного интерфейса;
12 - электромагнитные реле;
13 - отсек;
14 - кнопка «Стоп»;
15 - кнопка «Пуск»;
16 - тумблер «Сеть».
Заявляется автоматическое устройство управления подогревателем газа, которое содержит соединенные между собой контроллер 1, панель 2 релейной коммутации, преобразователь 3 напряжения, клеммную плату 4, светодиодные индикаторы 5 с встроенными резисторами, клеммы 6 для вывода. Наличие заявляемого устройства является обязательным в подогревателе газа и нефти. Сам подогреватель может входить в какой-то другой объект, например в газораспределительную станцию, имеющую, в свою очередь, автоматизированную систему управления. Для включения и останова работы подогревателя газа и нефти предназначены кнопка «Стоп» 14 и кнопка «Пуск» 15.
Контроллер 1 (RTU188 Fastwel) имеет порты 7-11, представленные в виде разъемов с входным напряжением 24 В и принимающие входные сигналы с аналоговых и дискретных датчиков, выдающие выходные сигналы на клеммную плату 4 и панель 2 релейной коммутации: порт ввода 7 дискретных сигналов, порт ввода 8 аналоговых сигналов, порт вывода 9 дискретных сигналов, порт ввода-вывода 10 UNIO48, порт 11 коммуникационного интерфейса с программной реализацией. Функционирование заявляемого устройства совместно с датчиками и исполнительными элементами подогревателя осуществляют с помощью рабочей управляющей программы, размещенной в памяти контроллера 1. Контроллер 1 принимает, обрабатывает и передает информацию с датчиков, исполнительных элементов. Контроллер 1 содержит клеммы для ввода питания, через которые контроллер 1 соединен с преобразователем 3 напряжения посредством проводов. Провода, относящиеся к одному порту, имеют общую шину. Порт вывода 9 дискретных сигналов контроллера 1 соединен с панелью 2 релейной коммутации посредством шлейфа (плоского кабеля с разъемами типа IDC), универсальный порт ввода-вывода 10 UNIO48 контроллера 1 - со светодиодными индикаторами 5 через клеммную плату 4 посредством второго шлейфа, порты ввода дискретных и аналоговых сигналов 7 и 8 соответственно - с клеммами 6 для вывода на подогреватель, а именно на его дискретные и аналоговые датчики, соединен посредством проводов (один провод соединен с одной клеммой). Контроллер 1 связан с верхним уровнем АСУ по коммуникационному интерфейсу RS-485: порт 11 коммуникационного интерфейса - с клеммами 6 для вывода, предназначенными для связи с верхним уровнем АСУ.
Панель 2 релейной коммутации (TBR 8 Fastwel), содержащая набор параллельно связанных электромагнитных реле 12, обеспечивает согласование выходных сигналов контроллера 1 и сигналов на исполнительных элементах подогревателя. Электромагнитные реле 12 представлены в виде нормально разомкнутых однополюсных каналов, обеспечивающих возможность коммутации цепей при токе нагрузки до 10 А при напряжении до 270 В переменного тока или до 30 В постоянного тока. Панель 2 релейной коммутации осуществляет коммутацию силовых цепей переменного и постоянного тока с помощью восьми электромагнитных реле 12. Панель 2 релейной коммутации и клеммы 6 для вывода соединены проводами. При включении тумблера «Сеть» 16 цепь замыкается и появляется напряжение.
Преобразователь 3 напряжения (HCL 150.10) преобразует напряжение 24 В в напряжение 5 В для питания контроллера 1. Контроллер 1 рассчитан на напряжение 5 В, исполнительные элементы - на напряжение 24 В. Преобразователь 3 напряжения соединен с клеммами 6 для вывода посредством проводов. Преобразователь 3 напряжения и панель 2 релейной коммутации соединены параллельно.
Клеммная плата 4 осуществляет переход с одного шлейфа на несколько клемм для подачи питания на светодиодные индикаторы 5.
Заявляемое устройство может иметь барьер искрозащиты (ТСС-Ех «TECON»), который связывает взрывобезопасную зону автоматического устройства управления подогревателем газа с взрывоопасной зоной подогревателя. Барьер искрозащиты соединен с контроллером 1 по коммуникационному интерфейсу RS-232.
Заявляемое устройство имеет отсек 13 - переходник, который содержит клеммы 6 для вывода и отделен от вышеперечисленных элементов. Разделение автоматического устройства управления подогревателем газа позволяет исключить возможность повреждения и отсоединения этих элементов при подключении заявляемого устройства к подогревателю через расположенные в отсеке 13 клеммы 6 для вывода на подогреватель, а именно на его источник питания, его дискретные и аналоговые датчики, его исполнительные элементы и на верхний уровень АСУ объекта, включающего подогреватель, например АСУ газораспределительной станции. Отсек 13 выполнен, например, на основе клемм фирмы WAGO в виде стандартно расположенных рядов клемм 6 для вывода. Предохранители размещают в клеммах 6 для вывода, предназначенных для подачи питания на автоматическое устройство управления подогревателем газа.
Автоматическое устройство управления подогревателем газа работает следующим образом. Напряжение подается через клеммы 6 для вывода на подогреватель, не являющийся составной частью заявляемого устройства, расположенные в отдельном отсеке 13, с источника питания подогревателя при включении тумблера «Сеть» 16 одновременно на панель 2 релейной коммутации и через преобразователь 3 напряжения на контроллер 1. С универсального порта ввода-вывода 10 UNIO48 контроллера 1 подается напряжение на клеммную плату 4, светодиодные индикаторы 5. Проверяют функционирование светодиодных индикаторов 5. Через 15 сек включается режим «Стоп». Контроллер 1 «опрашивает» порты 7 и 8 входных аналоговых и входных дискретных сигналов, проверяет, в норме ли датчики на подогревателе. Если какие-либо датчики подогревателя не функционируют нормально, то загораются соответствующие светодиодные индикаторы 5.
Из режима "Стоп" длительным нажатием кнопки «Стоп» 14 можно перевести заявляемое устройство в режим "Тест", который позволяет проверить функционирование исполнительных элементов.
После нажатия кнопки «Пуск» 15 контроллер 1 переводит заявляемое устройство управления в режим «Вентиляция». Затем, спустя примерно 10 мин, начинается режим «Розжиг». Контроллер 1 подает сигналы на панель 2 релейной коммутации, электромагнитные реле 12 включают исполнительные элементы в заданной программой розжига последовательности.
После окончания розжига заявляемое устройство переходит в режим "Работа". В этом режиме производится позиционное регулирование температуры нагреваемого продукта в соответствии с сигналом аналогового датчика температуры, принимаемым контроллером 1 через клеммы 6 для вывода на подогреватель. Если текущая температура теплоносителя, с помощью которого осуществляют нагрев газа в подогревателе, ниже нижней границы зоны регулирования нагрева газа, срабатывает датчик малого горения, расположенный в подогревателе. Если температура теплоносителя выше верхней границы зоны регулирования нагрева газа, срабатывает датчик большого горения, расположенный в подогревателе, и подогреватель переходит в режим малого горения. Если в режиме малого горения рост температуры продолжается, включается режим "Ожидание" (работает только запальная горелка), который продолжается до тех пор, пока значение температуры не вернется в пределы заданного диапазона.
Настройку и регулирование параметров производят с верхнего уровня АСУ. Для обеспечения контроля режимов работы подогревателя и возможности дистанционного управления предусмотрен последовательный канал передачи данных по интерфейсу RS-485 через порт 11 коммуникационного интерфейса.
В случае возникновения аварийных ситуаций происходит автоматическое выключение подачи газа с соответствующим оповещением причины останова светодиодными индикаторами 5.
Пример.
Изделие успешно проходит апробацию на ООО заводе «Газпроммаш» г.Саратова, приемочные и сертификационные испытания.
Автоматическое устройство управления подогревателем газа.
Таблица
Перечень элементов к схеме электрической принципиальной заявляемого устройства
Поз. обозначение
Наименование
Кол.
Примечание
А1
Панель релейной коммутации TBR8
1
Fastwel
А2
Контроллер RTU188-MX
1
Fastwel
A3
Плата клеммная ТВ26
1
Fastwel
А4
Преобразователь НСА150.10 05 3
1
Continent
А5
Барьер искрозащиты ТСС Ех2А ДАРЦ.426475.003
1
TEKOH
FU1, FU2
Вставка плавкая ВПБ6-11 1А/250 В
2
В корпусе Х4
Н1…Н12
Светодиод с держателем L-53SRD-5V
12
ЧИП индустрия
Н13…Н18
Светодиод с держателем L-53SGD-5V
6
ЧИП индустрия
Н19
Светодиод с держателем L-608G
1
ЧИП индустрия
R1
Резистор С2-33Н-0,25-3 кОм±5%
1
S1
Кнопка PSW-4016 В, зеленая
1
S2
Кнопка PSW-4016 В, красная
1
S3
Выключатель В100Н (SPDT)
3
X1
Клемма 280-654
14
WAGO
Х2
Клемма 280-641
24
WAGO
Х3
Клемма 280-651
5
WAGO
Х4
Клемма 282-122
2
WAGO
Х5
Клемма 280-641
5
WAGO
Х6
Клемма 280-826
4
WAGO
Х7
Клеммная колодка 507F
1
ДКС
Z
Клемма 280-637
1
WAGO