ДонНТУ   Портал магістрів

Дмитрієва Олена Андріївна

Факультет комп'ютерних наук та технологій

Кафедра комп'ютерної інженерії

Спеціальність Комп'ютерні системи та мережі

Оптимізація витрат апаратури в логічних схемах пристроїв керування

Науковий керівник: д.т.н., доц. Бершадський Ілля Адольфович

Резюме Біографія Реферат

Реферат за темою випускної роботи

• Введення
• 1. Актуальність теми
• 2. Завдання дослідження, плановані результати
• 3. Огляд досліджень і розробок
• 4. Рішення задач
• Висновки
• Список джерел

Введення

Сучасні тенденції розвитку автоматизації технологічних процесів на підприємствах, потенційно небезпечних щодо вибуху газів та пилу, в тому числі на вугільних шахтах, призводять до необхідності оснащення вибухозахищеного електрообладнання цифровими пристроями управління і захисту, що дозволяють здійснювати як повний моніторинг всіх функцій, так і дистанційне керування і зміну параметрів. Вихідні коли датчиків і задаючих пристроїв, розташованих поза вибухобезпечної оболонки, доцільно робити іскробезпечними, що істотно зменшує їх габаритні розміри і дозволяє застосовувати серійні пристрої загального призначення. Область застосування іскробезпечного електроустаткування охоплює сигналізацію, зв'язок, освітлення, у тому числі від акумуляторних світильників, системи контролю й управління технологічними процесами. Застосування такого обладнання підвищує загальний рівень безпеки ведення гірських робіт, сприяє зростанню продуктивності праці і знижує економічні витрати.

1. Актуальність теми

Для розширення області застосування іскробезпечного електроустаткування необхідно вирішити проблеми підвищення об'єктивності методів оцінки іскробезпеки електрообладнання й зниження трудомісткості його розробки за рахунок створення нових безкамерних методів оцінки іскробезпеки електричних кіл і вдосконалення камерних випробувань. Інтелектуальні датчики температури, тиску, потоку, а також концентратори і контролери верхнього рівня вимагають досить потужних іскробезпечних джерел живлення. Оптимальним рівнем напруги для них є 12 В, в окремих випадках (для віддалених або потужних споживачів) - 24 В, а номінальна сила струму досягає 5А при напрузі 12 В і 3 А при напрузі 24 В. Для реалізації таких параметрів потрібні принципово нові підходи до побудови іскробезпечних джерел живлення [1].

2. Завдання дослідження, плановані результати

Згідно висновку експертизи № 1843-2010 від 15.03.2010 р. для джерела живлення іскробезпеки на 24 В (ІПІ-24) параметри іскробезпечних кіл затверджені на 3 і 0,3 А. Для ІПІ-24-3:
- Напруга U0, В не більше 25;
- Струм I0, mA не більше 3300;
- Індуктивність L0, мГн не більше 0,05;
- Ємність C0, мкФ не більше 10 [2].
У виробництві недостатньо даних параметрів в зв'язку з тим, що створення нових джерел пов'язано з великими фінансовими і матеріальними витратами, самим практичним виходом зі сформованої ситуації є розрахунок уставок по струму та подальших іскробезпечних параметрів. Основні завдання роботи:
1) Обчислити при різних уставках струму яку максимально можливу величину індуктивності і ємності можна підключати, виходячи з цього вибрати кабелі;
2) Провести дослідження поведінки джерела в індуктивному колі

3. Огляд досліджень і розробок

Метод вибухозахисту "іскробезпечного електричного кола" ("ІЕЦ"), вибухозахист виду i, є найбільш показовою концепцією запобігання вибуху і грунтується на принципі обмеження енергії, запасеної в електричному колі. Іскробезпечні електричні кола фактично не здатні генерувати електричну дугу, іскру або давати тепловий вплив, які можуть викликати вибух небезпечної суміші як під час нормального функціонування, так і за певних аварійних ситуаціях.

Типове електричне коло містить джерело напруги U, опір R, індуктивність L, ємність C і перемикач S, з'єднані, як показано на рис.1. Причому перемикач S не обов'язково повинен бути присутнім в колі в явному вигляді, його роль може зіграти обрив кабелю (проводу), або навпаки його коротке замикання. Для аналізу електричного кола (індуктивності і ємності), які здатні накопичувати і віддавати енергію. Коли перемикач, розташований у небезпечній зоні, розімкнений, конденсатор накопичує електричну енергію, яка виділяється при замиканні перемикача, утворюючи електричну іскру [3].

Таким же чином при замкнутому перемикачі індуктивність накопичує магнітну енергію, яка виділяється у вигляді електричної дуги при розмиканні перемикача. Значення енергії, що виділяється електричним колом, має бути нижче мінімальної енергії підпалювання газоповітряної суміші, яка присутня в небезпечній зоні.

Існують три рівні вибухозахисту виду i:
- Ex ia - особовзривобезопасний,
- Ex ib - вибухобезпечний,
- Ex ic - підвищена надійність проти вибуху.

Іскробезпечне електрообладнання ніколи не застосовується окремо. Як правило, воно є частиною искробезопасной системи автоматики, у якій застосовуються сертифіковані елементи, що гарантують безпеку системи [4] Основне призначення іскробезпечного інтерфейсу (рис. 2) - усунути потребу спеціальної сертифікації обладнання безпечної зони. Обладнання, яке встановлюється в безпечній зоні, зазвичай складно, багатофункціональне і енергоємно. При пошкодженні це обладнання може стати джерелом енергії, неприпустимої для небезпечної зони. Ідеальний іскробезпечний інтерфейс повинен у нормальному режимі пропускати робочі сигнали (з допустимою для небезпечної зони енергетикою) з мінімальними втратами. У випадку аварії устаткування безпечної зони інтерфейс повинен змінити свої характеристики і обмежити рівень енергії, що передається в небезпечну зону до безпечного рівня [5].

Складовими елементами іскробезпечного інтерфейсу є:

- Прилад в іскробезпечниму виконанні (розташований у вибухонебезпечній зоні). Іскробезпечним електроустаткуванням є електрообладнання, у якого зовнішні і внутрішні електричні кола іскробезпечні. Зовнішнє устаткування (вихідні елементи, перетворювачі "ток-тиск", клапани соленоїдів і т.д.), що застосовується у вибухонебезпечних зонах, повинно бути сертифіковано на іскробезпеку.
- Пов'язане електрообладнання яке при нормальному або аварійному режимі роботи має гальванічну зв'язок з іскробезпечними колами. Пасивні бар'єри, ізольовані бар'єри постійного струму і контрольно-вимірювальне обладнання, які застосовуються для сполучення і вимірювання сигналів, що надходять з небезпечних зон, є основною частиною цього типу обладнання і повинні бути сертифіковані;
- Елементарні пристрою, до них відносять прилади, які не генерують і не накопичують енергії, достатньої для утворення електричної іскри. До цієї категорії відносяться пасивні сприймають елементи (термопари, резистивні датчики, контакти, світлодіоди і т.д.), які можуть бути безпосередньо розміщені на небезпечних ділянках. Вони не вимагають сертифікації та маркування.
- Кабельні з'єднання (зв'язують прилад з бар'єром іскрозахисту) [6].

4. Рішення задач

Для реалізації поставлених завдань проведено дослідження системи DART в програмі Micro-Cap, при використанні якого розраховуються потрібні параметри (рис. 3); немає необхідності у використанні графіків допустимих значень, що значно знижує рівень похибки і розширює область застосування «інтелектуальних» пристроїв іскробезпеки.

Дослідження проведені на прикладі комутації активно-індуктивного навантаження іскробезпечного джерела живлення типу ІПІ-24-3 (номінальна вихідна напруга 24 В, сила номінального вихідного струму 3 А) з маркуванням вибухозахисту иb по ГОСТ 12.2.020-76, виконаного за комбінованою схемою (рис. 4): з струмового відсіченням і c відключенням по похідної сили струму навантаження. ІПІ-24-3 складається з двох функціональних вузлів: перетворювача напруги мережі 127...220 В в напругу постійного струму 12 В або 24 В і бар'єру іскрозахисту.

В даний час реалізація цього завдання можлива за допомогою «інтелектуальних» бар'єрів іскробезпеки, особливість яких полягає в наявності додаткових функцій, спрямованих на: діагностику ліній зв'язку та датчика; контроль працездатності основних блоків бар'єру; аналіз отриманих значень з точки зору іскробезпеки; адаптацію до змін параметрів підключеного обладнання. Завдяки цим функціям підвищується надійність в роботі пристроїв вибухонебезпечних виробництв, зменшується людський фактор. Недоліком використання є його настройка за графіками, регламентованих ГОСТом, в кола з лінійним обмежувачем.

Бар'єр іскрозахисту складається з двох силових ключів з незалежним управлінням, що забезпечує дублювання, шунта для вимірювання сили струму навантаження джерела і схеми управління. Для забезпечення необхідної швидкодії при обмеженні сили струму на заданому рівні використовуються дві незалежні схеми порівняння, які переводять ключі в лінійний режим роботи. Обмеження сили струму досягається за рахунок управління електричним опором ключів. Швидкодія схем гарантує обмеження сили струму у разі короткого замикання за час 2...3 мкс. Сигнал від шунта подається також на схеми диференціювання і порівняння, реалізують компаратори. При перевищенні модулем швидкості зміни сили струму навантаження заданого значення 1 А/мс вони впливають на відповідні силові ключі і розривають цеп живлення навантаження. Швидкодія схем - не менше 5 ... 7 мкс. Таким чином, при комутації кола навантаження енергія джерела живлення майже повністю розсіюється в опорах силових ключів і не виділяється в електричному розряді.

Контролер переводить бар'єр у включений стан і забезпечує плавне включення ключів зі швидкістю зміни сили струму, меншою, ніж поріг спрацьовування схем порівняння, стежить за тепловим навантаженням ключів, не допускаючи їх перегріву, а також контролює напругу на навантаженні. Він може пріоритетно відключати силові ключі і включати їх, якщо немає заборони на це з боку схем порівняння. Аналізуючи вхідні сигнали, контролер обчислює потужність теплового навантаження силових ключів і при необхідності відключає їх на час паузи.

Розрахункова схема кола бар'єру іскрозахисту показана на рисунку 1. Цепи дублювання і сервісних функцій мікроконтролера не показані, оскільки в комутації навантаження вони не беруть участь. У схемі є основною V1 (24 В) та допоміжні джерела напруги V2 і V3 (5 В) для харчування кіл захисту. Транзисторний ключ Х3 на польовому MOSFET-транзисторі IRL205_IR представлений коректної SPICE-моделлю. Вузол струмового захисту моделюється транзистором Q4, компаратори X1 і X2 забезпечують протягом 4,7 мкс подачу вимикаючого сигналу на ключ Х3.

Навантаження індуктивністю LH і опором RH відключається в момент часу c_br. Модель розряду в колі складається з ключа SW1, керованого за часом, резистора RD, опір якого відображає динамічну інерційну модель слаботочного розряду [7], і допоміжного кола (джерела EI й індуктивності LI = 1 Гн, рисунок 4). Резистор R0 використовується для контролю сили вихідного струму джерела, а резистор R2 - для усунення колізій в програмі при підключенні індуктивності до джерела напруги [1].

Висновки

Пропонований метод розрахункової оцінки іскробезпеки електричних кіл, «метод безкамерної теплової оцінки» (МБТО), підвищує точність визначення небезпеки іскріння при розмиканні контактів електричного кола складної конфігурації в атмосфері вибухонебезпечної суміші за рахунок удосконалення моделі розрахунку параметрів слаботочного розряду в електричних колах вибухозахищеного електроустаткування. Дослідження показало, що збільшуючи струм уставки, можна підключати велику індуктивність, тим самим збільшуючи довжину лінії. На стадії проектування та розробки доцільно застосовувати метод безкамерної теплової оцінки іскробезпеки схем з необхідними іскробезпечними параметрами, застосування якого актуально при зіставленні різних способів забезпечення іскробезпеки, зокрема, вимірювальних органів вузлів відключення при комутації, в тому числі джерела живлення типу ІПІ 24-3. Крім того, метод забезпечує зменшення обсягу трудомістких випробувань при експериментальній оцінці іскробезпеки, особливо на стадії проектування і при пошуку оптимальних схемних рішень.

Список джерел

1. Бершадский И.А., Дубинский А.А. Тестирование метода бескамерной тепловой оценки искробезопасности схемы источника питания // Взрывозащищенное электрооборудование: сб. науч. тр. УкрНИИВЭ. - Донецк: УкрНИИВЭ, 2011.- С.230-240.
2. Висновок експертизи №1843-2010 від 15.03.2010 р. щодо відповідності обладнення підвищеної небезпеки вимогам нормативно-првових актів з охорони праці та промислової безпеки і можливості його експлуатації в Украйні
3. ГОСТ Р 51330.10-99 (МЭК 60079-11-98) «Электрооборудование взрывозащищенное. Часть 11. Искробезопасная электрическая цепь «і» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.ervist.ru/info/normbase/gost51330099.pdf
4. Жданкин В.К. Взрывозащищенная выносная система сопряжения с оборудованием нижнего уровня АСУ ТП// Современные технологии автоматизации. 2002.- №2.- С.74 – 84
5. Барьеры искробезопасности: шунт-диодные или с гальванической развязкой? Критерии для обоснованного выбора. VSP Technologies & Services [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.ervist.ru/info/normbase/gost51330099.pdf
6. Павлов Д.Д. Исследование и разработка интеллектуального устройства скробезопасности для систем автоматического управления// Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Владимир.- 2006,- С. 17-20
7. Ковалев А.П. Моделирование параметров разряда и расчетная оценка искробезопасности при размыкании электрической цепи / А.П. Ковалев, И.А. Бершадский, З.М.Иохельсон // Электричество.– 2009.- №11.– С. 62-69.