Автоматизированная система мониторинга расхода топлива

Автоматизированная система мониторинга расхода топлива

12

Реферат

УРОВЕНЬ ТОПЛИВА, ДАТЧИКИ, ПРОМЫШЛЕННЫЙ КОНТРОЛЛЕР, ПРОГРАММИРОВАНИЕ, ДАТЧИК ХОЛЛА, INMARSAT, ПОЗИЦИОНИРОВАНИЕ

Данная работа посвящена разработке автономной распределённой ИИС, которая устанавливается на танкерах «Волгонефть». Система предназначена для автоматического контроля уровня топлива в бункере, а также частоты вращения валов двигателей. Поддерживается передача данных на диспетчерский пульт посредством спутниковой системы Inmarsat. Обеспечивается обмен сообщениями между капитаном судна и диспетчером. Осуществляется определение текущих координат нахождения судна.

Содержание

Введение

1. Проектно-пояснительный раздел

1.1 Анализ технических характеристик существующей модели ИИС

1.2 Выбор и техническое описание датчика уровня топлива

1.3 Выбор и техническое описание вторичного преобразователя

1.4 Выбор и техническое описание промышленного контроллера

2. Разработка программно-аппаратного комплекса

2.1 Проект распределённой измерительной системы

2.2 Структура программного обеспечения распределённой ИИС

2.3 Линейная аппроксимация градуировочной характеристики

2.4 Структура управляющей программы микроконтроллера

2.5 Конфигурирование DDE-сервера UniDDE

2.6 Разработка клиентского приложения

2.7 Разработка серверного приложения

2.8 Организация взаимодействия с базой данных

2.9 Разработка программы автоматического обновления базы данных

3. Технико-экономическое обоснование

3.1 Расчет затрат на зарплату разработчиков системы

3.3 Смета расходов на оборудование

3.4 Расходы по арендной плате за помещения

3.5 Затраты на освещение и отопление

3.6 Оплата машинного времени

3.7 Расчет экономической эффективности разрабатываемой системы

4. Охрана труда

4.1.4Требования к естественному и искусственному освещению

4.1.5 Требования к шуму и вибрации

4.1.6 Требования к ионизирующим и неионизирующим излучениям

Заключение

Приложение А

Приложение Б

Перечень сокращений

СУБД - система управления базами данных

OPLC - акроним для Панели управления (OP) + Программируемого логического контроллера (LC).

ПЛК - программируемый логический контроллер

DDE - direct data exchange - технология прямого обмена данными

ЧЭ - чувствительный элемент

CAN - control area network

HMI - human-machine interface (человеко-машинный интерфейс)

ПЭВМ - персональная электронная вычислительная машина

ПУЭ - правила устройства электроустановок

Введение

Последние годы мы наблюдаем устойчивый и довольно существенный рост цен на горюче-смазочные материалы. Рост цен на горючее вынуждает руководителей предприятий, занимающихся перевозками людей и грузов поднимать цены на услуги, что в свою очередь вызывает дальнейшую цепную реакцию роста цен на другие товары и услуги и приводит к негативным процессам в обществе.

Проблема роста цен на топливо делает актуальной задачу сокращения потерь топлива, возникающих вследствие утечек, нецелевых расходов, несанкционированного отбора и т.п. Поставленная задача может быть решена применением совокупности технических, организационных и административных мер.

В данной работе будет решена техническая задача, состоящая в разработке системы, осуществляющей в автономном режиме постоянный и точный контроль расхода топлива на речном танкере «Волгонефть».

Объём топливной цистерны танкера «Волгонефть» составляет свыше 90 кубометров, масса топлива составляет почти 50 тонн. Практика показывает, что потери топлива за счёт несанкционированного отбора доходят до одной тонны в день. Экономические потери составляют почти 20 тысяч рублей в день.

Разработанная система ведёт постоянный контроль уровня топлива в цистерне и с заданной периодичностью отправляет полученные данные на диспетчерский пункт. Кроме этого, ведётся контроль частоты вращения валов двигателей танкера, что даёт возможность диспетчеру оценить суточный расход топлива и сравнить его с фактическим.

Передача данных осуществляется с помощью спутниковой системы Inmarsat, благодаря чему также обеспечивается постоянная связь экипажа с диспетчером в любой точке Земли.

Основные компоненты системы являются сертифицированными, серийно выпускаемыми изделиями: датчик уровня топлива, датчики Холла, промышленный контроллер, ПЭВМ, спутниковая антенна. Такое решение имеет два основных преимущества: надёжность компонентов гарантируется их производителями, период эксплуатации составляет свыше 15 лет при условии проведения планового технического обслуживания; система в целом является легко тиражируема, поскольку не содержит оригинальных компонентов, трудных в производстве.

Окупаемость системы, при учёте масштаба потерь, составит около двух месяцев.

Технические возможности оборудования содержат большой потенциал по дальнейшему расширению функциональности системы.

1. Проектно-пояснительный раздел

1.1 Анализ технических характеристик существующей модели ИИС

В настоящее время на судне установлена самодельная система, выполняющая измерение уровня топлива и частоты вращения валов. Сигналы от датчиков преобразуются из аналогового вида в цифровой сигнал стандарта RS-232 и через соответствующий порт поступают в ПЭВМ капитана судна. Преобразование и усиление сигналов выполняется электронными блоками, установленными в системе распределительных коробок.

Схемы преобразования и усиления сигнала смонтированы вручную на изготовленных вручную печатных платах.

Датчик уровня представляет собой конденсатор, состоящий из семи сегментов. Каждый сегмент представляет собой конденсатор, обкладками которого служат платы из текстолита. Сегменты соединены между собой несколькими проводниками. На конденсатор подаётся переменный сигнал с заданными характеристиками. При изменении уровня топлива происходит изменение ёмкости конденсатора, что регистрируется контроллером, на основе чего осуществляется вычисление уровня топлива.

Электронные блоки системы выполнены на элементной базе фирмы Atmel. Элементная база этого производителя отличается хорошей производительностью и невысокой ценой, поэтому находит применение в широком спектре электронных приборов. Каждый электронный компонент выполняет узкоспециализированную функцию, что позволяет разрабатывать на их основе приборы различного назначения.

Однако это преимущество имеет значимость только при разработке новых или нестандартных, решающих новые, не стоявшие ранее задачи.

Анализируя поставленную задачу можно увидеть, что задачи измерения уровня топлива в баке и частоты вращения вала двигателей являются давно тривиальными задачами. В настоящее время уже существует специализированное и сертифицированное оборудование для решения подобных задач.

Поэтому подход, использованный разработчиками системы, представляется принципиально неверным. Этот факт выражается в довольно существенных недостатках:

1 Разработка печатных плат для единичных экземпляров датчиков и распределительных коробок является невыгодной. Это связано с тем, что изготовление печатных плат является сложным многоступенчатым технологическим процессом, в котором используются вредные вещества (кислоты, растворители, лаки и т.п.). Поэтому производители, обладающие необходимым оборудованием (например, ФГУП «СЭМЗ», ФГУП «НИИ «Экран») возьмутся изготовить только достаточно крупную партию плат (от 100 экз.), что неприемлемо в условиящ поставленной задачи.

2 При изготовлении электронных блоков должны решаться вопросы их помехоустойчивости, помехозащищённости, электромагнитной совместимости. Должны рассчитываться показатели надёжности (вероятность отказа, среднее время восстановления и т.п.) для гарантированного обеспечения работоспособности приборов в существующих условиях эксплуатации. Очевидно, эти вопросы разработчиками не рассматривались, чем объясняется нестабильная работа существующей системы.

3 Самодельные электронные блоки обладают более низкой ремонтопригодностью по сравнению с продукцией сертифицированных производителей.

Отдельно следует рассмотреть программное обеспечение системы. В системе осуществляется сбор данных и генерация отчётов с предоставлением их в виде интернет-страниц через сервер Apache. Для сбора данных используется система управления базой данных (СУБД) фирмы Oracle.

Данная СУБД обладает широкими возможностями и предназначена для организации больших по объёму распределённых баз данных. Однако она предъявляет высокие требования к аппаратным ресурсам. Поэтому в рассматриваемом случае это является причиной низкого быстродействия. По этой причине применение СУБД Oracle для решения поставленных задач считаю неправильным.

Вместо громоздкой и сложной СУБД Oracle целесообразно использовать машину баз данных, представляемую фирмой Borland (BDE).

Ещё более простое решение - использовать СУБД, встроенную в систему Windows.

1.2 Выбор и техническое описание датчика уровня топлива

Аналоговые датчики типа Е предназначены для непрерывного измерения уровня различных жидких и сыпучих сред. Дискретные датчики типа ЕС предназначены для сигнализации предельного уровня различных жидких и сыпучих сред. Датчики уровня должны работать в комплекте с вторичным преобразователем.

Принцип действия аналогового датчика типа Е основан на преобразовании изменения электрической емкости чувствительного элемента (ЧЭ) датчика, вызванного изменением уровня контролируемой среды. Далее сигнал с датчика передается на вторичный преобразователь для отображения уровня на цифровом дисплее и управления выходными реле.

Принцип действия дискретного датчика типа ЕС основан на преобразовании изменения электрической емкости ЧЭ датчика в выходной сигнал постоянного тока. Этот сигнал, в свою очередь, используется для управления срабатыванием выходного реле.

Датчик представляет собой моноблочную конструкцию, объединяющую электронный преобразователь и ЧЭ. В зависимости от типа контролируемой среды и условий измерений могут применятся различные варианты исполнения датчика: конструкция, материал и длина ЧЭ, тип присоединительного элемента, наличие термовтулки.

Достоинства:

- Современная элементная база.

- Простота монтажа и эксплуатации.

Датчик устанавливается на резервуаре в резьбовое гнездо или на фланец и уплотняется прокладкой из соответствующего материала. Чувствительный элемент при этом должен располагаться вертикально. Допускается наклонное расположение чувствительного элемента при условии его дополнительного крепления. Расстояние между чувствительным элементом и стенкой резервуара должно быть таким, чтобы исключалась возможность зависания сыпучей контролируемой среды после опорожнения резервуара, а также соприкосновение чувствительного элемента со стенками или дном при движении среды. Практически расстояние 100-200 мм достаточно для всех случаев. Для исключения возможных механических повреждений чувствительного элемента за счет интенсивного движения жидкой контролируемой среды рекомендуется предусматривать закрепление чувствительного элемента через изоляторы или окружать его демпфирующим устройством в виде сетки, перфорированной трубы диаметром не менее 100 мм и т. п. Металлический резервуар должен иметь соединение с заземляющим контуром. У неметаллических резервуаров необходимо предусматривать дополнительный электрод в виде пластины, полосы, стержня и т. п., расположенный параллельно чувствительному элементу на расстоянии около 200 мм и соединенный с корпусом датчика. Варианты монтажа датчиков приведены на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Варианты монтажа датчиков

Датчики поставляются для различных задач с различными типами чувствительного элемента. Для измерения уровня топлива в цистерне танкера целесообразно использовать датчик со стержневым элементом.

Стержневой чувствительный элемент представляет собой две трубки разно диаметра, причём меньшая помещается внутри большей и крепится с помощью диэлектрических креплений. Длина чувствительного элемента составляет 5 метров. Для удобства перевозки и монтажа чувствительного элемента он выполнен в виде трёх секций, соединяющихся с помощью резьбовых соединений.

Перед непосредственным монтажом датчика в цистерну вваривается перфорированная труба диаметром 100мм. Датчик монтируется внутри этой трубы и закрепляется в верхней части резьбовым соединением.

Для исключения контакта нижнего конца датчика со стенкой трубы предусмотрена прокладка круглой формы, одевающаяся на нижний конец датчика, враспор [1,2].

Конструкция датчика уровня топлива приведена на рисунке 1.2.

1 - ЧЭ различных конструктивных исполнений, 2 - корпус с крышкой, 3 - электронный модуль, 8 - кабельный ввод, 9 - зажим заземления, L - рабочая длина чувствительного элемента датчика

Рисунок 1.2 - Конструкция датчика уровня топлива

Для обработки сигнала с датчика и передачи на вход контроллера необходимо использовать вторичный преобразователь.

1.3 Выбор и техническое описание вторичного преобразователя

Для определения уровня топлива используется емкостной датчик (например, Е 25ХИ) в комплекте со вторичным преобразователем ИСУ100И. Указанное оборудование имеет разрешение Ростехнадзора на применение и может использоваться на пожароопасных объектах (каковым является топливный бак).

Преобразователь ИСУ100И имеет релейные выходы для контроля крайних значений уровня (на схеме показана светодиодная индикация «Ёмкость полна» и «Ёмкость пуста»). Это позволяет капитану судна получать информацию о критических значениях уровня топлива даже при выходе из строя контроллера и/или компьютера.

Емкостной измеритель-сигнализатор уровня ИСУ100И в комплекте с датчиком уровня предназначен для непрерывного измерения уровня различных жидких (нефти, нефтепродуктов, воды, щелочей, кислот, масла, пищевых жидкостей и др.) и сыпучих (цемента, извести, песка, щебня, руды, шихты, угля, гранулированного порошка и др.) сред, а так же контроля двух заданных предельных уровней в резервуарах, танках, силосах и т.п. стационарных установках, в том числе в емкостях, находящихся под избыточным давлением.

Принцип действия измерителя-сигнализатора уровня основан на преобразовании программируемым микроконтроллером длительности частотного токового сигнала, поступающего от датчика уровня, в пропорциональный сигнал постоянного тока на выходе. Длительность входного сигнала зависит от электрической емкости чувствительного элемента датчика, которая, в свою очередь, определяется глубиной его погружения в контролируемую среду, т.е. положением ее уровня.

Вторичный преобразователь (рисунок 1.3) имеет различные исполнения по питанию:

- Измерители-сигнализаторы уровня ИСУ100АИ предназначены для питания от сети ~220 В, 50 Гц.

- Измерители-сигнализаторы уровня ИСУ100БИ предназначены для питания от сети +24 В.

1 - корпус, 2 - крышка, 3 - сигнализация питания, 4 - сигнализация режима работы, 5 - сигнализации достижения установленных предельных положений уровня, 6 - отображение текущего значения уровня в процентах, 7 - клавиатура, 8 - зажим заземления, 9, 10, 11 и 12 -кабельные вводы.

Рисунок 1.3 - Конструкция вторичного преобразователя датчика уровня топлива

В зависимости от типа контролируемой среды и условий измерений могут применятся различные варианты исполнения датчиков уровня: конструкция, материал и длина ЧЭ, тип присоединительного элемента, наличие термовтулки.

Основные функции:

- Преобразование входного сигнала датчика уровня в выходные сигналы: непрерывные токовые и дискретный (контакты реле).

- Отображение результатов измерений на цифровом индикаторе в относительных единицах измерения.

- Формирование выходного релейного сигнала и световой сигнализации для каждой из двух независимых предельных уставок уровня или объема, задаваемых пользователем.

- Автодиагностика и сигнализация отказов.

- Повышенная стабильность измерений.

- Прибор обеспечивает самодиагностику, выдачу аварийного сигнала на цифровой дисплей при неисправности линии связи с датчиком или самого датчика.

- Обеспечение взрывозащиты уровня “ia”

- Обеспечение высокой помехозащищенности информационного сигнала.

- Возможность калибровки с клавиатуры прибора.

Схема подключения емкостного датчика уровня к вторичному преобразователю приведена на рисунке 2.

Внешние цепи (линии связи, к датчику, выходных сигналов и питания) выполняются обычным (неэкранированным) кабелем. Линия связи трехпроводная длиной до 1000 м. При наличии электромагнитных помех в зоне прокладки кабеля желательно использовать экранированный кабель.

Рисунок 1.4 - Схема подключения датчика к вторичному преобразователю

1.4 Выбор и техническое описание промышленного контроллера

Контроллер «M90» (рис. 1.5) представляет собой микро «OPLC» Акроним для Панели управления (OP) + Программируемого логического контроллера (LC).; компактный контроллер, содержащий полностью интегрированную панель управления. Это превосходное устройство для выполнения простых задач управления, как в домашнем хозяйстве, так и на производстве. «M90» включается в состав различных моделей, предлагающих разнообразные возможности, в том числе аналоговое управление, «CANbus» и порты расширения. Эти качества «M90» обеспечивают ему гибкость для контроля за временем и состоянием окружающей среды, в которой происходят технологические процессы.

Панель управления, показанная на рис. 1.3, представляет собой интерфейс оператора. На панели управления «M90» находятся жидкокристаллический текстовый дисплей и клавишная панель. ЖК экран может использоваться для вывода на него указаний, свойство, которое делает «M90» очень удобным в работе. Клавишную панель оператор использует для ввода информации в «M90» или для изменения каких- либо уже введенных ранее данных. Этот коммуникационный интерфейс между «M90» и оператором в данном справочнике именуется «HMI-интерфейсом», или человеко-машинным интерфейсом («Human Machine Interface»). Панель управления «M90» обладает еще одним дополнительным свойством, именуемым «Информационный режим». Информационный режим позволяет оператору просматривать некоторые типы системных данных, например, состояние входа или значения таймеров.

Техническое описание «M90»:

- Размеры: 96 x 96 x 64 мм.

- Установка: монтаж на панели или на шине «DIN».

- Источник питания: 24 В пост.тока.

- Часы реального времени («Real Time Clock»), с функциями изменения времени и даты. Часы реального времени поставляются со стандартным аккумулятором для обеспечения резервного питания в течение 7 лет. Серия «M90» предлагает цифровые и/или аналоговые входы/выходы в зависимости от конкретной модели «M90».

Панель управления предоставляет HMI-интерфейс. Она состоит из:

- ЖК экрана, который выводит одну 16-символьную текстовую строку.

- Клавишной панели с 15 герметизированными мембранными кнопками.

Серия «M90» предлагает два коммуникационных порта: «RS232» и «CANbus». Все модели оснащены портами «RS232». Отдельные модели «M90» имеют порты «CANbus». Последовательный порт «RS232» «M90» обеспечивает выполнение двух функций: n Загрузка программ с персонального компьютера. n Создание сетевой связи через соответствующий протокол связи.

Программные приложения ПЛК и экраны HMI-интерфейса создаются на персональном компьютере, используя для этого программное обеспечение «U90 Ladder», работающее в операционной системе Windows 95, 98 или NT 4.0. «M90» программируется при помощи «Ladder Logic». Программное приложение ПЛК - это программа, которая выполняется в «M90». Она позволяет «M90» реализовать свои функции управления.

Программное приложение HMI-интерфейса настраивает параметры работы интерфейса оператора «M90». Он используется для:

- Настройки функций посредством клавишной панели «M90».

- Создания и вывода на ЖК-дисплей «M90» сообщений. После подготовки своей программы, вы можете загрузить ее в ПЛК.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5