СИСТЕМА СИГНАЛИЗАЦИИ И РЕГУЛИРОВАНИЯ УРОВНЯ ЖИДКИХ И СЫПУЧИХ СРЕД, УСТОЙЧИВАЯ К ОТКАЗАМ

Данная полезная модель относится к области технической кибернетики, в частности к автоматизированным системам контроля и управления технологическими процессами.
Известны устройства сигнализации и регулирования уровня жидких и сыпучих сред, используемые в промышленности, и сельском хозяйстве (Электрооборудование, для насосных станций и компрессоров. Каталог 2004. - М.: ООО "АТЭ", 2004, - 23 с., Контрольно-измерительные приборы и средства автоматизации. Каталог 2004. - М.: "ОВЕН", 2004. - 152 с., Водоснабжение и водоотведение в сельском хозяйстве / В.М.Усаковский. - М.: "КОДОС". - 2002, 325 с., Энергосбережение в сельском хозяйстве. Тезисы Международной НТК, ч. I и II. - М.: стройиздат, 1998. - 239 с.)
Недостатком этих систем является то, что не обеспечивается безотказная работа в случае появления отказа по "нулю" (обрыв) или "единице" (короткое замыкание), хотя бы одного элемента в цепи управления исполнительными элементами.
Близкими по технической сущности и решаемым задачам к заявляемой полезной модели являются:
1. Приборы управления погружными насосами, группой подающих насосов, сигнализации и регулирования уровня жидких, и сыпучих сред с дистанционным управлением, Каталог продукции 2004. - M.: "ОВЕН", 2004. - 152 с. 2. Устройства "Высота". Каталог 2004. - М.: ООО "АТЭ", 2004. - 25 с.
Недостатками данных устройств являются:
- отсутствие технического решения по обеспечению безотказной работы в случае появления отказа по "нулю" или "единице "отдельных элементов в цепях управления исполнительным" элементом (магнитным пускателем электронасоса);
- недостаточно объективен контроль состояния чувствительных элементов (датчиков уровней), что понижает вероятность контроля нормального функционирования системы в процессе работы;
- ограничена возможность применения данных систем при работе с агрессивными средами и условиях опасных для человека.
Задачей заявляемого решения является обеспечение защиты сигналов управления работой системы сигнализации и регулирования уровня жидких и сыпучих сред с дистанционным управлением в случае возникновения систематического или случайного отказа одного из элементов по "нулю" или "единице" в каналах сигнализации и управления работой исполнительного элемента (магнитного пускателя электронасоса). Количество каналов сигнализации и управления определяется заданным числом ("n" уровнями) поддержания и контроля рабочей среды в различного рода резервуаров.
Защита осуществляется раздельно для каждого из "n" каналов, представляя канал как (I,I-полюсное)устройство (Патент РФ №2168823 10 июня 2001 г. Система защиты многополюсных устройств / Г.С.Сафонов, Е.В.Пелевина). Отличительной особенностью структуры заявляемой модели является то, что в ней отсутствует (в отличии от структуры Патента) блок формирования корректирующих сигналов, а вместо мажоритарных элементов используются многополюсные модули с логическими порогами, устойчивые к отказам (Патент РФ №27749 10 февраля 2003 г.). Формирование корректирующих сигналов осуществляется двумя дополнительными (одноименными) элементами-датчиками уровней и электромагнитными реле, работающими одновременно с основными в цепях управления режимами работы системы. Сигналы с датчиков уровней канала регулирования поступают на входы логических схем, выполненных на многопополюсных модулях с логическим порогом срабатывания ≥2, контактные матрицы которых формируют сигналы с достоверностью, равной 1, при возможных отказах любого элемента логической схемы по "нулю" или "единице" при формировании управляющего воздействия на магнитный пускатель (исполнительный элемент), осуществляющий подачу рабочего напряжения на электронасос. Одновременно сигналы с выходов датчиков уровней поступают на схемы индикации, выполненных на светодиодах, каналов сигнализации - "снижения" (сухого) (СУ), "нижнего" (НУ), "промежуточного" (ПУ), "верхнего" (ВУ) уровней.
Решение задачи по защите сигналов управления работой системы сигнализации и регулирования жидких и сыпучих сред от систематических
или случайных отказов любого одного элемента по "нулю" или "единице" каждого из "n" каналов осуществляется с помощью системы защиты, состоящей из трех однотипных датчиков-реле уровня каждого канала, логических схем канала регулирования, выполненных на многополюсных модулях с логическим порогом срабатывания ≥2, устойчивых к отказам по "нулю" или "единице» любого одного элемента логической схемы (однократный отказ), на контактах реле которых построены контактные матрицы, отключенные от источника питания, схем индикации для каналов сигнализации и регулирования, состоящих из трех светодиодов для каждого канала по числу датчиков-реле каждого уровня, схемы управления, цепи управления которой построены также на многополюсных модулях с логическим порогом срабатывания ≥2, что обеспечивает надежный процесс управления работой исполнительного элемента (магнитного пускателя). Структура заявляемой модели выполняется на стандартных электротехнических элементах, используемых в промышленности Контроль правильности функционирования датчиков-реле уровней осуществляется по состоянию (загоранию или погасанию) одновременно всех трех или двух из трех светодиодов в схеме индикации каждого уровня.
Заявляемое решение позволяет обеспечить нормальное функционирование каналов системы сигнализации и регулирования уровня жидких и сыпучих сред при наличии отказа по "нулю" или "единице" одного из трех реле датчика каждого уровня или одного любого элемента в каждой логической схеме и схеме индикации соответствующего канала, а также в логических схемах цепей управления пуском системы и "ручного" управления работой.
В результате использования заявляемой модели представляется возможным обеспечить высокую равную I, достоверность нормального функционирования системы сигнализации и регулирования уровня жидких и сыпучих сред при наличии возможных отказов по "нулю" или "единице" любого одного элемента в каналах сигнализации и регулирования системы.
Наиболее целесообразное использование заявляемого решения как самостоятельной системы - это в атомной энергетике для контроля и
регулирования уровня жидкости охлаждающей реактор, на базах хранения и выдачи различных видов топлива и токсичных веществ, в наливном флоте, в сельском хозяйстве (водоснабжение), в химической промышленности и других отраслях.
Вышеуказанный результат достигается тем, что система сигнализации и регулирования уровня жидких и сыпучих сред, устойчивая к отказам, для формирования сигналов с достоверностью, равной 1, на управляющую обмотку магнитного пускателя, осуществляющего подачу рабочего напряжения на электронасос, состоящая из "n" каналов по числу уровней сигнализацией и регулирования, каждый из которых включает три датчика-реле уровня, логические схемы канала регулирования, выполненные на многополюсных модулях с логическим порогом срабатывания ≥2, схем индикации на светодиодах по числу контролируемых уровней, магнитного пускателя, схемы управления, блока питания реле, отличающаяся тем, что по каналу регулирования выходы трех датчиков-реле "снижения" (сухого) уровня (СУ) соединены со входами трех реле логической схемы СУ канала регулирования, контактная матрица которой выполнена на замыкающих контактах этих реле, выход контактной матрицы СУ соединен с "нулевой "фазой (землей) источника напряжения переменного тока, а вход с выходом контактной матрицы логической схемы "верхнего "уровня (ВУ), построенной на размыкающих контактах реле, соединенных с выходами датчиков-реле "верхнего" уровня, а вход контактной матрицы логической схемы ВУ управляющей обмотки со входом управляющей обмотки магнитного пускателя, выход которой, соединен с выходом контактной матрицы логической схемы управления пуском (УП), построенной на замыкающих контактах трех реле, включенных в цепь кнопок "Пуск" и "Стоп". Вход контактной матрицы УП соединен с одной из фаз источника напряжения переменного тока. Выходы датчиков-реле "снижения" (сухого) уровня, "нижнего" уровня (НУ), (промежуточных "уровней (ПУ) и "верхнего" уровня каналов сигнализации соединены со светодиодами схем индикации соответствующих контролируемых уровней. Аварийный ("ручной" режим управления обеспечивается шунтированием цепей логических схем "снижения"(сухого) и "верхнего" уровней логической схемой "ручное "управление (РУ), контактная матрица которой составлена на замыкающих контактах трех реле, включенных в цепь кнопок "Стоп" и "РУ" ("ручное управление).
Вход контактной матрицы РУ соединен со входом контактной матрицы "верхнего" уровня, а выход - с "нулевой" фазой (землей) источника напряжения переменного тока. Прекращение работы системы на любом этапе осуществляется кнопкой "Стоп" обесточивающая реле в цепях управлением пуском и "ручного" управления.
Управление работой системы осуществляется от кнопок "Пуск", "Стоп", "РУ" ("ручное" управление). Управление дистанционное в автоматическом и "ручном" режимах. Питание элементов системы напряжением постоянного тока обеспечивается от встроенного в схему управления стандартного блока питания реле (БПР). Подключение БПР к шинам схемы управления осуществляется тумблером "Питание", а контроль наличия напряжения на шинах "+" и "-" производится по индикатору "Питание" на светодиоде. Подключение источника напряжения переменного тока к системе осуществляется с помощью автоматического переключателя типов - АЕ, ВА, АП в зависимости от мощности электронасоса и контролируется индикатором "Сеть", подключенным к одной из фаз источника.
Заявляемая модель позволяет разрабатывать различные по своему предназначению системы сигнализации и регулирования уровня жидких и сыпучих сред, устойчивые к отказам, на основе использования элементной базы широко применяемой в различных отраслях промышленности, отраженной в промышленных каталогах - НПК "Эталон", "ДАРТ Электроникс", "КонтрАвт", "Платан" и др.
Сущность заявляемого решения поясняется Фиг.1, 2.
На Фиг.1 представлена структурная схема системы сигнализации и регулирования уровня жидких и сыпучих сред, устойчивая к отказам, в структуру которой входят:
- датчики-реле уровней (I) - датчик "снижения"(сухого)уровня (СУ),
- датчик "нижнего" уровня (НУ), датчик (ВУ) "верхнего "уровня.
Датчик СУ контролирует необходимый минимальный уровень рабочей среды для работы системы, датчик НУ контролирует "нижний" уровень, датчик ВУ контролирует максимальный допустимый уровень и формирует команду на прекращение работы.
В качестве датчиков-реле уровней для жидких сред могут быть использованы
трехуровневые датчики-реле, настроенные на один уровень, типа POC-301 с передающими преобразователями ППР-03 или ППР-22 НПК "Эталон", а также трехэлектронные датчики других типов - кондуктометрические, контролирующие степень электропроводности среды, активные - емкостные, индуктивные, оптические применяемые для работы с диэлектрическими и сыпучими материалами и др.;
- логические семы (2), построенные на релейных многополюсных модулях с логическим порогом срабатывания ≥2, устойчивые к отказам контактные матрицы которых обеспечивают формирование сигналов с достоверностью, равной 1, независимо от отказов по "нулю" или "единице" любого одного элемента модуля или искажении управляющего сигнала по одному из входов модуля;
- схемы индикации(3) контролируют состояния датчиков-реле уровней СУ, НУ,...,ВУ и достижение рабочей среды этих уровней. Каждый датчик группы (1, 2, 3)соединен со своим светодиодом соответствующего канала;
- схема управления (4) осуществляет формирование сигналов управления работой системы с достоверностью, равной 1, путем использования в цепях управления "пуском" (автоматический режим) и "ручного" управления (аварийный режим Логических схем, выполненных на многополюсных модулях с логическим порогом срабатывания ≥2, входы реле которых соединены с кнопками "Пуск", "Стоп" в цепи управления автоматического режима и "РУ" "ручного" управления.
Прекращение работы системы на любом этапе осуществляется от кнопки "Стоп", разрывающей цепи питания реле логических схем цепей управления автоматическим и "ручным" (аварийным) режимами работы. Включение в работу блока питания реле(БПР) и подача напряжения на шины "+" и "-" производится тумблером "Питание", а контроль наличия напряжения на шинах осуществляется индикатором "Питание", выполненным на светодиоде. Подключение внешнего источника напряжения переменного тока 380/220В к БПР, магнитному пускателе осуществляется контактором "К" (автоматический выключатель), а контроль наличия напряжения производится по индикатору "Сеть", подключенному к одной из фаз внешнего источника;
- магнитный пускатель(5) осуществляет подключение внешнего источника напряжения переменного тока к электронасосу. В зависимости от мощности электронасоса могут быть использованы магнитные пускатели типов ПМА, ПМЕ,
ПМ и др.;
- блок питания реле БПР(6) вырабатывает стабилизированное напряжение постоянного тока для питания элементов схемы управления системы. В качестве рабочего блока питания можно использовать БПР научно-производственной фирмы "КонтрАвт";
- электронасосное "М" (7) может быть погруженным или подающим, а также поддерживающим уровни рабочих сред в различного рода резервуаров. Мощность электродвигателя насосов может быть в широком, диапазоне от 0,37 до 90,0 и более кВт.
1
2
3
На Фиг.2 изображена функциональная схема полезной модели, обеспечивающая подачу, и поддержание жидкости на максимальном "верхнем" уровне: резервуара. В структуру входят датчики-реле "снижения" (сухого) СУ, "нижнего" НУ, "верхнего", уровней (I) типа 301-03. Эти три датчика-реле уровней входят в структуру каналов сигнализации и регулирования и через переключающие контакты К1, К2, К3 своих реле соединены со входами реле К, К, Клогических схем(2) "снижения" СУ и "верхнего" ВУ канала регулирования и со светодиодами схем индикации через контакты 6, 9, 12 разъемов XIP-XIS, Х2Р-Х2S, Х3Р-Х3S.
1
2
3
п1
п3
р1
р3
В исходном состоянии датчиков-реле уровней светодиоды находятся под напряжением. При достижении рабочей жидкости в резервуаре того или иного уровня срабатывают реле датчиков, перемыкающие контакты которых разрывают цепи питания светодиодов схем индикации и создают цепи питания реле К, К, К логических схем СУ и ВУ, контактными матрицами этих реле создается цепь питания магнитного пускателя (5), подключая его к "нулевой» фазе (земле). Включение в работу магнитного пускателя происходит когда будет, создана цель подключения обмотки магнитного пускателя к фазе "А" источника переменного тока. Это происходит от контактной матрицы логической схемы управления пуском (УП). Логическая схема об разуется контактами реже К-К,которые срабатывают от кнопки "Пуск", "Ручное" (аварийное) управление работой осуществляется подачей команды от кнопки "РУ" ("ручное" управление). При этом срабатывают реле К-К, контактами которых формируется контактная матрица логической схемы "РУ", шунтирующая цепи контактных матриц логических схем СУ и ВУ, выключая из работы датчики-реле
уровней СУ и ВУ. Контроль работы канала регулирования осуществляется по индикатору "Работа". Отсутствие рабочей среды в скважине, накопителе и т.п. контролируется по загоранию светодиодов "Блокировка" СУ, а разомкнутые контакты логической схемы СУ разрывают цепь питания магнитного пускателя (5 Работа канала регулирования невозможна.
Контроль исходного (исправного) состояния датчиков-реле уровней осуществляется по загоранию трех или двух из трех светодиодов схем индикации соответствующих контролируемых датчиков.
Включение в работу блока питания реле(БПР) и подача напряжения на шины "+" и "-" осуществляется тумблером "Питание", а контроль наличия напряжения производится по свечению светодиода "Питание".
п1
п3
р1
р3
Прекращение работы системы на любом этапе автоматического режима работы от кнопки "Пуск" или "ручного" от кнопки "РУ" осуществляется подачей команды от кнопки "Стоп", которая разрывает цепи питания реле К-К или К-К логических схем УП или РУ.
Контактором "К" осуществляется подключение внешнего источника напряжения переменного тока к ПМ (5), а контроль - по индикатору "Сеть", подключенного к фазе "А" источника. Подачу 3-х фазного напряжения переменного тока на электродвигатель "М" (7) насоса обеспечивает магнитный пускатель ПМ (5).
Рассмотрим работу системы сигнализации и регулирования жидких и сыпучих сред, устойчивой к отказам, в режиме наполнения и поддержания "верхнего" уровня в рабочем резервуаре.
2
п1
Требуется обеспечить надежную работу канала регулирования в случае отказа по "нулю" (обрыв) переключающего контакта К2 датчика-реле уровня СУ, залипания контактов реле K в контактной матрице ВУ на обрыв цепи управляющей обмотки реле К в цепи кнопки "Пуск".
Включением контактора "К" и тумблера "Питание" осуществляется подача напряжения переменного тока на систему управления, загорается индикатор "Сеть", включается в работу блок питания реле и напряжение с его выходов поступает на шины "+" и "-" системы. При этом включается светодиод "Питание", светодиоды схем индикации НУ, ВУ (1, 2, 3), а светодиоды схемы индикации
1
3
2
1
п1
СУ не засвечиваются при наличии жидкости в скважине или емкости. При этом реле Ки К логической схемы. СУ срабатывают и их контакты в контактной матрице СУ готовят цепь подключения "нулевой" фазы (земли) к обмотке ПМ (5) через размыкающие контакты контактной матрицы ВУ, а реле Kостается обесточенным в силу отказа по "нулю" переключающего контакта К2 при датчика-реле уровня СУ. Система готова к работе при наличии одного отказа в датчике-реле уровня "снижения" СУ, залипания контактов К в контактной матрице логической схемы ВУ и обрыва цепи управляющей обмотки реле Кв цепи кнопки "Пуск".
п2
п3
Работа системы начинается(при наличии рабочей жидкости) с нажатия на кнопку "Пуск". В цепи кнопки срабатывают только два реле K и К, контактами которых через диод подключается фаза "А» к обмотке магнитного пускателя ПМ (5). Магнитный пускатель срабатывает, т.к., подключается к фазе "А" через контактную матрицу логической схемы УП и к "нулевой" фазе (земле) через контакты контактных матриц ВУ и СУ. Идет процесс наполнения
1
2
3
1
3
2
1
3
При достижении "нижнего "уровня (НУ) срабатывают реле К1, К2, К3 датчика-реле НУ и их переключающие контакты К1, К2, К3 разрывают цепи питания светодиодов 1, 2, 3 схемы индикации НУ. По отключению светодиодов контролируется прохождение "нижнего" уровня. Наполнение продолжается. При достижении "верхнего "уровня срабатывают реле К1, К2, К3 датчика-реле "верхнего" уровня и переключающими контактами этих реле снимается питание со светодиодов 1, 2, 3 схемы индикации ВУ и подают питание на реле К, К, К логической схемы ВУ. Контактами К, К разрывается цепь подключения обмотки магнитного пускателя к "нулевой" фазе источника. При этом залипание контактов K в контактной матрице на работу не влияет. Магнитный пускатель обесточивается и снимает питание с электродвигателя насоса. Наполнение прекращается. Система находится в режиме ожидания о При снижении уровня обесточиваются реле датчика-уровня и их переключающие контакты в останавливав цепи питания светодиодов схемы индикации ВУ и обесточивают реле К, К логической схемы ВУ. Контактами этих реле вновь создается цепь подключения магнитного пускателя к "нулевой» фазе источника. Цикл наполнения (поддержания) требуемого уровня может повторятся многократно. Условия работы выполнены. В случае других возможных
вариантах однократных отказов элементов схемы заявляемой модели обеспечивается правильное выполнение алгоритма функционирования.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет обеспечить требуемое функционирование системы сигнализации и регулирования уровня жидких и сыпучих сред, устойчивой к отказам, при отказах по "нулю" или "единице" любого одного элемента структуры системы.