Помощь студентам в учебе
Автоматизированная система контроля состояния трубопроводов в пенополиуретановой изоляции на базе устройств высокой степени автономности
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 5
1 ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ТРУБОПРОВОДА С
ППУ ИЗОЛЯЦИЕЙ 7
1.1 Описание объекта автоматизации 7
1.2 Обор существующих аналогов 10
1.3 Обоснование актуальности и преимуществ разрабатываемой системы. 12
1.4 Обзор беспроводных технологий обмена данными 13
1.5 Функциональная схема системы 16
Выводы по разделу один 18
2 ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОНЕЧНОГО УСТРОЙСТВА ИЗМЕРЕНИЯ 19
2.1 Методы измерения электрического сопротивления 19
2.1.1 Измерение сопротивления изоляции трубопровода 20
2.1.2 Измерение сопротивления сигнального кабеля 22
2.2 Методы измерения напряжения и защиты измерительных входов 23
2.3 Проектирование принципиальной электрической схемы 27
2.3.1 Измерительная часть и схема защиты 27
2.3.2 Микроконтроллер и приемопередатчик 32
2.3.3 Учет реального времени 35
2.3.4 Локальная индикация измерений 36
2.3.5 Питание устройства 38
2.3.6 Стабилизация напряжения 40
Выводы по разделу два 43
3 РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КОНЕЧНОГО
УСТРОЙСТВА 45
3.1 Составление алгоритма работы 45
3.2 Выбор средств программирования микроконтроллера 46
3.3 Настройка параметров микроконтроллера 48
3.4 Реализация программы 54Выводы по разделу три 56
4 РЕАЛИЗАЦИЯ УРОВНЯ СБОРА И ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ 57
4.1 Выбор базовой станции 57
4.2 Настройка сетевого подключения 58
4.3 Настройка соединения с приемопередатчиком 61
4.4 Описание способов взаимодействия с верхним уровнем 64
Выводы по разделу четыре 65
5 РЕАЛИЗАЦИЯ ВЕРХНЕГО УРОВНЯ СИСТЕМЫ 67
5.1 Выбор средства проектирования интерфейса 67
5.2 Реализация веб-сервера 68
5.3 Реализация веб-интерфейса 70
Выводы по разделу пять 75
6 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ
РЕАЛИЗАЦИЯ 76
6.1 Разработка прототипа устройства 76
6.2 Анализ соответствия реализованной системы техническому заданию .. 79
Выводы по разделу шесть 79
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 80
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 82
ПРИЛОЖЕНИЯ 90
ПРИЛОЖЕНИЕ А 90
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 95
ПРИЛОЖЕНИЕ В 99
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 106
ПРИЛОЖЕНИЕ Е 117
ВВЕДЕНИЕ 5
1 ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ТРУБОПРОВОДА С
ППУ ИЗОЛЯЦИЕЙ 7
1.1 Описание объекта автоматизации 7
1.2 Обор существующих аналогов 10
1.3 Обоснование актуальности и преимуществ разрабатываемой системы. 12
1.4 Обзор беспроводных технологий обмена данными 13
1.5 Функциональная схема системы 16
Выводы по разделу один 18
2 ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОНЕЧНОГО УСТРОЙСТВА ИЗМЕРЕНИЯ 19
2.1 Методы измерения электрического сопротивления 19
2.1.1 Измерение сопротивления изоляции трубопровода 20
2.1.2 Измерение сопротивления сигнального кабеля 22
2.2 Методы измерения напряжения и защиты измерительных входов 23
2.3 Проектирование принципиальной электрической схемы 27
2.3.1 Измерительная часть и схема защиты 27
2.3.2 Микроконтроллер и приемопередатчик 32
2.3.3 Учет реального времени 35
2.3.4 Локальная индикация измерений 36
2.3.5 Питание устройства 38
2.3.6 Стабилизация напряжения 40
Выводы по разделу два 43
3 РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КОНЕЧНОГО
УСТРОЙСТВА 45
3.1 Составление алгоритма работы 45
3.2 Выбор средств программирования микроконтроллера 46
3.3 Настройка параметров микроконтроллера 48
3.4 Реализация программы 54Выводы по разделу три 56
4 РЕАЛИЗАЦИЯ УРОВНЯ СБОРА И ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ 57
4.1 Выбор базовой станции 57
4.2 Настройка сетевого подключения 58
4.3 Настройка соединения с приемопередатчиком 61
4.4 Описание способов взаимодействия с верхним уровнем 64
Выводы по разделу четыре 65
5 РЕАЛИЗАЦИЯ ВЕРХНЕГО УРОВНЯ СИСТЕМЫ 67
5.1 Выбор средства проектирования интерфейса 67
5.2 Реализация веб-сервера 68
5.3 Реализация веб-интерфейса 70
Выводы по разделу пять 75
6 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ
РЕАЛИЗАЦИЯ 76
6.1 Разработка прототипа устройства 76
6.2 Анализ соответствия реализованной системы техническому заданию .. 79
Выводы по разделу шесть 79
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 80
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 82
ПРИЛОЖЕНИЯ 90
ПРИЛОЖЕНИЕ А 90
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 95
ПРИЛОЖЕНИЕ В 99
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 106
ПРИЛОЖЕНИЕ Е 117
В связи с наступлением четвертой промышленной революции, развитием и распространением энергоэффективных устройств беспроводной связи в настоящее время появилась возможность решения задач автоматизации технологических процессов более эффективными методами.
В ходе эксплуатации тепловых сетей на территории России длительное время используются трубопроводы с изоляцией из ваты. Данная изоляция не обеспечивает должной защиты от аварийных ситуаций, является недолговечной и способствует значительной потере теплой энергии. Поэтому на сегодняшний день широкое распространение получают трубопроводы с пенополиуретановой (ППУ) изоляцией, которые решают указанные недостатки.
Для возможности оперативного контроля за состоянием участка трубопровода и своевременного выявления возникновения аварийных ситуацией на трубопроводе с ППУ изоляцией согласно СП 41-105-2002 [1] обязательна установка системы оперативно-диспетчерского контроля. Специальные устройства, называемые детекторами повреждений, измеряют состояние изоляции трубопроводов и сигнализируют в случае возникновения протечек и повреждения трубопровода.
Согласно техническому заданию на проектирование системы предлагается создать систему, способную централизованно контролировать несколько участков трубопроводов, отображать на дисплее оператора состояние каждого участка и оперативно сигнализировать в случае возникновения аварии. Детектор повреждений предлагается оборудовать аккумуляторным питанием для работы в течении длительного время.
В связи с требованием на использование беспроводных средств передачи данных в данной работе проведен выбор подходящей технологии. На сегодняшний день имеется множество технологий беспроводной энергоэффективной передачи данных на большие расстояния, например, LoRa, NB-IoT, Стриж и другие [2, 3, 4].
В связи с требованиями к разрабатываемой системы можно сформулировать цель выпускной квалификационной работы: повышение эффективности процесса контроля состояния трубопроводов с ППУ изоляцией, повышение показателей надежности и наблюдаемости системы теплоснабжения в целом за счет использования энергоэффективных устройств сбора и беспроводной передачи данных.
В связи с целью в данной работе будут рассмотрены следующие задачи:
- рассмотрение трубопровода с ППУ изоляцией как объекта
автоматизации;
- обзор аналогичных систем и схожих решений, описание преимуществ разрабатываемой системы;
- обзор современных технологий беспроводной передачи данных;
- описание функциональной схемы разрабатываемой системы;
- рассмотрение теоретических основ измерения сопротивлений, напряжений и диодных защит;
- проектирование электрической принципиальной схемы устройства измерения, поиск подходящих для решения задачи схем и компонентов;
- написание программного кода для микроконтроллера конечного устройства;
- выбор и настройка компонентов уровня сбора и передачи данных;
- выбор средств реализации верхнего уровня системы, проектирование интерфейса пользователя;
- проверка работы системы в целом и соответствие системы техническому заданию.
В ходе эксплуатации тепловых сетей на территории России длительное время используются трубопроводы с изоляцией из ваты. Данная изоляция не обеспечивает должной защиты от аварийных ситуаций, является недолговечной и способствует значительной потере теплой энергии. Поэтому на сегодняшний день широкое распространение получают трубопроводы с пенополиуретановой (ППУ) изоляцией, которые решают указанные недостатки.
Для возможности оперативного контроля за состоянием участка трубопровода и своевременного выявления возникновения аварийных ситуацией на трубопроводе с ППУ изоляцией согласно СП 41-105-2002 [1] обязательна установка системы оперативно-диспетчерского контроля. Специальные устройства, называемые детекторами повреждений, измеряют состояние изоляции трубопроводов и сигнализируют в случае возникновения протечек и повреждения трубопровода.
Согласно техническому заданию на проектирование системы предлагается создать систему, способную централизованно контролировать несколько участков трубопроводов, отображать на дисплее оператора состояние каждого участка и оперативно сигнализировать в случае возникновения аварии. Детектор повреждений предлагается оборудовать аккумуляторным питанием для работы в течении длительного время.
В связи с требованием на использование беспроводных средств передачи данных в данной работе проведен выбор подходящей технологии. На сегодняшний день имеется множество технологий беспроводной энергоэффективной передачи данных на большие расстояния, например, LoRa, NB-IoT, Стриж и другие [2, 3, 4].
В связи с требованиями к разрабатываемой системы можно сформулировать цель выпускной квалификационной работы: повышение эффективности процесса контроля состояния трубопроводов с ППУ изоляцией, повышение показателей надежности и наблюдаемости системы теплоснабжения в целом за счет использования энергоэффективных устройств сбора и беспроводной передачи данных.
В связи с целью в данной работе будут рассмотрены следующие задачи:
- рассмотрение трубопровода с ППУ изоляцией как объекта
автоматизации;
- обзор аналогичных систем и схожих решений, описание преимуществ разрабатываемой системы;
- обзор современных технологий беспроводной передачи данных;
- описание функциональной схемы разрабатываемой системы;
- рассмотрение теоретических основ измерения сопротивлений, напряжений и диодных защит;
- проектирование электрической принципиальной схемы устройства измерения, поиск подходящих для решения задачи схем и компонентов;
- написание программного кода для микроконтроллера конечного устройства;
- выбор и настройка компонентов уровня сбора и передачи данных;
- выбор средств реализации верхнего уровня системы, проектирование интерфейса пользователя;
- проверка работы системы в целом и соответствие системы техническому заданию.
По итогу данной выпускной квалификационной работы была разработана система контроля состояния трубопроводов в ППУ изоляции, которая соответствует требованиям задания работы
Проведен обзор аналогов и технологий беспроводной передачи данных, выбрана технология LoRa по причине ее доступности. Далее рассмотрены методы измерения высоких сопротивлений, таких как сопротивление изоляции, с помощью делителя напряжения; методы измерения малых сопротивлений, таких как сопротивление сигнального кабеля, с помощью применения источника стабилизированного тока. Изучены схемы защиты входов измерительных устройств с помощью диодов и супрессоров.
Спроектирована измерительная часть схемы в соответствии с рассмотренными методиками, в качестве микроконтроллера был выбран STM32L151, в качестве приемопередатчика RAK811. Для питания устройства был выбран литий-ионный аккумулятор со схемой подзарядки на основе чипа MCP73831T. Измерение напряжения батареи происходит по схеме управляемого делителя напряжения. В качестве стабилизатора напряжения был выбран линейный понижающий стабилизатор MC78LC33NTRG на 3,3 В с низким минимально возможным падением напряжения и малым собственным током потребления.
В качестве средства реализации программного кода на микроконтроллере STM32 было решено остановиться на конфигурировании в утилите Cube MX и использовании драйверов HAL. Написано программа на языке Си, которая считывает показанная с АЦП, вычисляет сопротивления и напряжение аккумулятора, определяет наличие аварии и в случае возникновения аварийной ситуации передает данные по UART на приемопередатчик.
Была выбрана и настроена базовая станция Вега БС 1.2 и сервер взаимодействия с этой станцией от компании Вега. По итогу имеется возможность обращаться с сервера Вега из внешних систем по IP-адресу в
локальной системе. После был настроен канал связи между базовой станцией и приемопередатчиком конечного устройства.
В ходе рассмотрения средств и возможностей реализации интерфейса пользователя было принято решение организовать свой интерфейс как вебприложение. Веб-сервер реализован с применением языка программирования Python 3.7. Основная логика взаимодействия с уровнем сбора и передачи данных находится в клиентской части приложения, то есть непосредственно на веб-сайте. С помощью языка веб-программирования JavaScript было написано одностраничное приложение, которое осуществляет соединение и обмен данными с сервером Вега.
В результате имеется интерфейс с авторизацией пользователя, списком доступных участков трубопроводов, оповещением о возникновении аварийной ситуации и просмотром графиков процессов.
Был собран прототип полевого устройства, который по предварительным расчетам может работать от аккумуляторного питания около одного года.
Проведен обзор аналогов и технологий беспроводной передачи данных, выбрана технология LoRa по причине ее доступности. Далее рассмотрены методы измерения высоких сопротивлений, таких как сопротивление изоляции, с помощью делителя напряжения; методы измерения малых сопротивлений, таких как сопротивление сигнального кабеля, с помощью применения источника стабилизированного тока. Изучены схемы защиты входов измерительных устройств с помощью диодов и супрессоров.
Спроектирована измерительная часть схемы в соответствии с рассмотренными методиками, в качестве микроконтроллера был выбран STM32L151, в качестве приемопередатчика RAK811. Для питания устройства был выбран литий-ионный аккумулятор со схемой подзарядки на основе чипа MCP73831T. Измерение напряжения батареи происходит по схеме управляемого делителя напряжения. В качестве стабилизатора напряжения был выбран линейный понижающий стабилизатор MC78LC33NTRG на 3,3 В с низким минимально возможным падением напряжения и малым собственным током потребления.
В качестве средства реализации программного кода на микроконтроллере STM32 было решено остановиться на конфигурировании в утилите Cube MX и использовании драйверов HAL. Написано программа на языке Си, которая считывает показанная с АЦП, вычисляет сопротивления и напряжение аккумулятора, определяет наличие аварии и в случае возникновения аварийной ситуации передает данные по UART на приемопередатчик.
Была выбрана и настроена базовая станция Вега БС 1.2 и сервер взаимодействия с этой станцией от компании Вега. По итогу имеется возможность обращаться с сервера Вега из внешних систем по IP-адресу в
локальной системе. После был настроен канал связи между базовой станцией и приемопередатчиком конечного устройства.
В ходе рассмотрения средств и возможностей реализации интерфейса пользователя было принято решение организовать свой интерфейс как вебприложение. Веб-сервер реализован с применением языка программирования Python 3.7. Основная логика взаимодействия с уровнем сбора и передачи данных находится в клиентской части приложения, то есть непосредственно на веб-сайте. С помощью языка веб-программирования JavaScript было написано одностраничное приложение, которое осуществляет соединение и обмен данными с сервером Вега.
В результате имеется интерфейс с авторизацией пользователя, списком доступных участков трубопроводов, оповещением о возникновении аварийной ситуации и просмотром графиков процессов.
Был собран прототип полевого устройства, который по предварительным расчетам может работать от аккумуляторного питания около одного года.
