ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Современные тенденции развития автоматизации технологических процессов на предприятиях, потенциально опасных по взрыву газов и пылей, в том числе на угольных шахтах, приводят к необходимости оснащения взрывозащищенного электрооборудования цифровыми устройствами управления и защит, позволяющими осуществлять как полный мониторинг всех функций, так и дистанционное управление и изменение параметров. Выходные цепи датчиков и задающих устройств, расположенных вне взрывобезопасной оболочки, целесообразно делать искробезопасными, что существенно уменьшает их габаритные размеры и позволяет применять серийные устройства общего назначения.

Область применения искробезопасного электрооборудования охватывает сигнализацию, связь, освещение, в том числе от аккумуляторных светильников, системы контроля и управления технологическими процессами. Применение такого оборудования повышает общий уровень безопасности ведения горных работ, способствует росту производительности труда и снижает экономические затраты.

1. Актуальность темы

Для расширения области применения искробезопасного электрооборудования необходимо решить проблемы повышения объективности методов оценки искробезопасности электрооборудования и снижения трудоемкости его разработки за счет создания новых бескамерных методов оценки искробезопасности электрических цепей и совершенствование камерных испытаний.

Интеллектуальные датчики температуры, давления, потока, а также концентраторы и контроллеры верхнего уровня требуют достаточно мощных искробезопасных источников питания. Оптимальным уровнем напряжения для них является 12 В, в отдельных случаях (для отдаленных или мощных потребителей) – 24 В, а номинальная сила тока достигает 5 А при напряжении 12 В и 3 А при напряжении 24 В. Для реализации таких параметров требуются принципиально новые подходы к построению искробезопасных источников питания [1].

2. Задачи исследования, планируемые результаты

Cогласно заключению экспертизы №1843-2010 от 15.03.2010 г. для источника питания искробезопасности на 24 В (ИПИ-24) параметры искробезопасных цепей утверждены на 3 и 0,3 А.

Для ИПИ-24-3:
- напряжение U0, В не более 25;
- ток I0, mA не более 3300;
- индуктивность L0, мГн не более 0,05;
- емкость C0, мкФ не более 10 [2].

В производстве недостаточно данных параметров в связи с тем, что создание новых источников связано с большими финансовыми и материальными затратами, самым практичным выходом из сложившейся ситуации является рассчет уставок по току и дальнейших искробезопасных параметров.

Основные задачи исследования:

  1. Вычислить при разных уставках тока какую максимально возможную величину индуктивности и ёмкости можно подключать, исходя из этого выбрать кабели.
  2. Провести исследование поведения источника в индуктивной цепи.

3. Обзор исследований и разработок

Метод взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь» («ИЭЦ»), взрывозащита вида i, является наиболее показательной концепцией предотвращения взрыва и основывается на принципе ограничения энергии, запасенной в электрической цепи. Искробезопасные электрические цепи фактически не способны генерировать электрическую дугу, искру или оказывать тепловой воздествие, которые могут вызвать взрыв опасной смеси как во время нормального функционирования, так и при определенных аварийных ситуациях.

Типовая электрическая цепь содержит источник напряжения U, сопротивление R, индуктивность L, емкость C и переключатель S, соединенные, как показано на рисунке 1. Причем переключатель S не обязательно должен присутствовать в цепи в явном виде, его роль может сыграть обрыв кабеля (провода), или наоборот его короткое замыкание. Для анализа электрической цепи (индуктивности и емкости), которые способны накапливать и отдавать энергию. Когда переключатель, расположенный в опасной зоне, разомкнут, конденсатор накапливает электрическую энергию, которая выделяется при замыкании переключателя, образуя электрическую искру [3].

Типовая электрическая цепь

Рисунок 1- Типовая электрическая цепь

Таким же образом при замкнутом переключателе индуктивность накапливает магнитную энергию, которая выделяется в виде электрической дуги при размыкании переключателя. Значение энергии, выделяемой электрической цепью, должно быть ниже минимальной энергии поджигания газовоздушной смеси, присутствующей в опасной зоне.

Таким же образом при замкнутом переключателе индуктивность накапливает магнитную энергию, которая выделяется в виде электрической дуги при размыкании переключателя. Значение энергии, выделяемой электрической цепью, должно быть ниже минимальной энергии поджигания газовоздушной смеси, присутствующей в опасной зоне.

Существуют три уровня взрывозащиты вида i:
- Ex ia - особовзрывобезопасный,
- Ex ib - взрывобезопасный,
- Ex ic - повышенная надежность против взрыва.

Взрывозащита Ex ia предполагает сохранение условий безопасности даже в случае одновременных и независимых повреждений, поэтому этот уровень взрывозащиты обеспечивает наибольшую безопасность и применим для Зоны 0, Зоны 1 и Зоны 2. Взрывозащита Ex ib допускает только одно повреждение и поэтому применим только для Зоны 1 и Зоны 2.

Искробезопасное электрооборудование никогда не применяется отдельно. Как правило, оно является частью искробезопасной системы автоматики, в которой применяются сертифицированные элементы, гарантирующие безопасность системы [4]. Основное назначение искробезопасного интерфейса (рисунок 2) - устранить потребность специальной сертификации оборудования безопасной зоны. Оборудование, устанавливаемое в безопасной зоне, обычно сложно, многофункционально и энергоемко. При повреждении это оборудование может стать источником энергии, недопустимой для опасной зоны. Идеальный искробезопасный интерфейс должен в нормальном режиме пропускать рабочие сигналы (с допустимой для опасной зоны энергетикой) с минимальными потерями. В случае аварии оборудования безопасной зоны интерфейс должен изменить свои характеристики и ограничить уровень энергии, передаваемой в опасную зону до безопасного уровня [5].

Искробезопасный интерфейс

Рисунок 2- Искробезопасный интерфейс

Составляющими элементами искробезопасного интерфейса являются:

- Прибор в искробезопасном исполнении (расположен во взрывоопасной зоне). Искробезопасным электрооборудованием является электрооборудование, у которого внешние и внутренние электрические цепи искробезопасны. Внешнее оборудование (выходные элементы, преобразователи “ток-давление”, клапаны соленоидов и т.д.), применяющееся во взрывоопасных зонах, должно быть сертифицировано на искробезопасность.

- Связанное электрооборудование которое при нормальном или аварийном режиме работы имеет гальваническую связь с искробезопасными цепями. Пассивные барьеры, изолированные барьеры постоянного тока и контрольно-измерительное оборудование, которые применяются для сопряжения и измерения сигналов, поступающих из опасных зон, являются основной частью этого типа оборудования и должны быть сертифицированы;

- Элементарные устройства, к ним относят приборы, которые не генерируют и не накапливают энергии, достаточной для образования электрической искры. К этой категории относятся пассивные воспринимающие элементы (термопары, резистивные датчики, контакты, светодиоды и т.д.), которые могут быть непосредственно размещены на опасных участках. Они не требуют сертификации и маркировки.

- Кабельные соединения (связывающие прибор с барьером искрозащиты) [6].

4. Решение задач

Для реализации поставленных задач проведено исследование системы DART в программе Micro-Cap, при использовании которого рассчитываются нужные параметры (рисунок 4); нет необходимости в использовании графиков допустимых значений, что значительно снижает уровень погрешности и расширяет область применения «интеллектуальных» устройств искробезопасности.

Результаты исследования

Рисунок 3 - Результаты исследования

Исследования проведены на примере коммутации активно-индуктивной нагрузки искробезопасного источника питания типа ИПИ-24-3 (номинальное выходное напряжение 24 В, сила номинального выходного тока 3 А) с маркировкой взрывозащиты Иb по ГОСТ 12.2.020-76, выполненного по комбинированной схеме (рисунок 3): с токовой отсечкой и c отключением по производной силы тока нагрузки. ИПИ-24-3 состоит из двух функциональных узлов: преобразователя напряжения сети 127…220 В в напряжение постоянного тока 12 В или 24 В и барьера искрозащиты.

В настоящее время реализация этой задачи возможна с помощью «интеллектуальных» барьеров искробезопасности, особенность которых заключается в наличии дополнительных функций, направленных на: диагностику линий связи и датчика; контроль работоспособности основных блоков барьера; анализ полученных значений с точки зрения искробезопасности; адаптацию к изменениям параметров подключенного оборудования. Благодаря этим функциям повышается надежность в работе устройств взрывоопасных производств, уменьшается человеческий фактор. Недостатком использования является его настройка по графикам, регламентируемым ГОСТом, в цепи с линейным ограничителем.

Барьер искрозащиты состоит из двух силовых ключей с независимым управлением, обеспечивающим дублирование, шунта для измерения силы тока нагрузки источника и схемы управления. Для обеспечения требуемого быстродействия при ограничении силы тока на заданном уровне используются две независимые схемы сравнения, которые переводят ключи в линейный режим работы. Ограничение силы тока достигается за счет управления электрическим сопротивлением ключей. Быстродействие схем гарантирует ограничение силы тока в случае короткого замыкания за время 2...3 мкс. Сигнал от шунта подается также на схемы дифференцирования и сравнения, реализующие компараторы. При превышении модулем скорости изменения силы тока нагрузки заданного значения 1 А/мс они воздействуют на соответствующие силовые ключи и разрывают цепь питания нагрузки. Быстродействие схем – не менее 5...7 мкс. Таким образом, при коммутации цепи нагрузки энергия источника питания почти полностью рассеивается в сопротивлениях силовых ключей и не выделяется в электрическом разряде.

Контроллер переводит барьер во включенное состояние и обеспечивает плавное включение ключей со скоростью изменения силы тока, меньшей, чем порог срабатывания схем сравнения, следит за тепловой нагрузкой ключей, не допуская их перегрева, а также контролирует напряжение на нагрузке. Он может приоритетно отключать силовые ключи и включать их, если нет запрета на это со стороны схем сравнения. Анализируя входные сигналы, контроллер вычисляет мощность тепловой нагрузки силовых ключей и при необходимости отключает их на время паузы.

Расчетная схема цепи барьера искрозащиты показана на рисунке 1. Цепи дублирования и сервисных функций микроконтроллера не показаны, поскольку в коммутации нагрузки они не участвуют. В схеме имеются основной V1 (24 В) и вспомогательные источники напряжения V2 и V3 (5 В) для питания цепей защиты. Транзисторный ключ Х3 на полевом MOSFET-транзисторе IRL205_IR представлен корректной SPICE-моделью. Узел токовой защиты моделируется транзистором Q4, компараторы X1 и X2 обеспечивают в течение 4,7 мкс подачу отключающего сигнала на ключ Х3.

Нагрузка индуктивностью LH и сопротивлением RH отключается в момент времени c_br. Модель разряда в цепи состоит из ключа SW1, управляемого по времени, резистора RD, сопротивление которого отражает динамическую инерционную модель слаботочного разряда [7], и вспомогательной цепи (источника EI и индуктивности LI=1 Гн, рисунок 4). Резистор R0 используется для контроля силы выходного тока источника, а резистор R2 - для устранения коллизий в программе при подключении индуктивности к источнику напряжения [1].

Схема расчетная по разрядам размыкания барьера искрозащиты источника питания типа ИПИ-24-3

Рисунок 4 – Схема расчетная по разрядам размыкания барьера искрозащиты источника питания типа ИПИ-24-3

Полученные зависимости: а) тока б) напряжения на компараторе в) напряжения на дуге г) мощности д) энергии е) средней мощости

Рисунок 5 – Полученные зависимости: а) тока б) напряжения на компараторе в) напряжения на дуге г) мощности д) энергии е) средней мощости

Выводы

Предлагаемый метод расчетной оценки искробезопасности электрических цепей, называемый «методом бескамерной тепловой оценки» (МБТО), повышает точность определения опасности искрения при размыкании контактов электрической цепи сложной конфигурации в атмосфере взрывоопасной смеси за счет усовершенствования модели расчета параметров слаботочного разряда в электрических цепях взрывозащищенного электрооборудования. Иследование показало, что увеличивая ток уставки, можно подключать большую индуктивность, тем самым увеличивая длину линии. На стадии проектирования и разработки целесообразно применять метод бескамерной тепловой оценки искробезопасности схем с требуемыми искробезопасными параметрами, применение которого актуально при сопоставлении различных способов обеспечения искробезопасности, в частности, измерительных органов узлов отключения при коммутации, в том числе источника питания типа ИПИ 24-3. Кроме того, метод обеспечивает уменьшение объема трудоемких испытаний при экспериментальной оценке искробезопасности, особенно на стадии проектирования и при поиске оптимальных схемных решений.

Список источников

  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.