Контроль распределения тепловых потоков в окружающей среде

 

Содержание

Введение

Описание работы ССОИ

Составление структурной схемы

Подбор элементов и расчет надежности

Практическое освоение методики оптимизации логических схем и оценки надежности

Заключение

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Обеспечение контроля распределения тепловых потоков в окружающей среде имеет большое значение для многих отраслей хозяйства нашей страны и требует использование современных методов и средств автоматизации. Система состоит из двух взаимосвязанных подсистем оперативного контроля и управления качеством тепловых ресурсов. Их взаимосвязь обусловлена тем, что управление основывается на той информации, которую получают в процессе контроля. Накопленный опыт решения задач повышения оперативности контроля показывает, что традиционные методы, основанные на эпизодическом отборе проб тепла из объектов, связаны с большими затратами труда и времени на анализ, неэкономичны и малоинформативные. Одним из путей решения этой проблемы является комплексная автоматизация процедур анализа, сбора и обработки информации. Однако, зная распределение тепловых потоков в помещении, можно подобрать наилучшее месторасположение обогревателя, при котором распределение тепла по всему помещению будет одинаковым. Экономическая целесообразность подобных разработок определяется тем, что, несмотря на относительную дороговизну, внедрение предлагаемой системы окупается в очень короткие сроки в силу следующих причин: достигается точность на порядок выше, чем у большинства контрольно-измерительных приборов; отсутствует человеческий фактор возможных погрешностей при расчетах; обеспечивается возможность контроля распределения тепловых потоков в реальном масштабе времени; небольшие габаритные размеры подобных систем; возможность подключения системы к персональному компьютеру через сеть и дистанционный контроль всех параметров.

Описание работы ССОИ

Назначение, функциональные возможности состав и структурная схема системы.

Автоматизированная система, предназначенная для выдачи диаграммы распределения тепловых потоков в домах, производственных складах и других помещениях. Данная система обеспечивает формирование, запоминание и выдачу на печатающее устройство, монитор или через модем по выделенной или телефонной линии следующей информации: среднесуточные значения температуры в определенных точках помещения; ежеминутный контроль перепада температур в помещении с последующей обработкой и выдачей результата в виде диаграммы; архивирование и выдачу данных о температуре во всех контролируемых точках за любые последние 400 дней.

Предлагаемая система содержит: первичные измерительные преобразователи (датчики температуры), коммутатор и аналого-цифровой преобразователь для уменьшения числа соединений с вычислителем и подачу сигналов в цифровом коде; а также непосредственно вычислитель, осуществляющий непрерывный сбор информации с датчиков с периодом не менее одной минуты, накопление, обработку, выдачу данных на внутренний монитор в виде диаграммы, а также передачу этих данных на персональный компьютер со специализированным программным обеспечением, который может собирать информацию с группы подобных систем. Использование такого мобильного комплекса позволяет многократно расширить площадь контролируемой территории и оперативно анализировать характеристики тепла в труднодоступных точках в зависимости от создавшейся обстановки. Сочетание общего контроля поверхности с контролем точечных источников загрязнения дает возможность быстро выявить источник залповых выбросов и «виновника» возникшей аварийной ситуации.

Границы относительной погрешности вычислителя при преобразовании выходных сигналов измерительных преобразователей должны составлять не более ±5% в диапазоне измерения температуры от -10 до +50°С, при использовании 4 датчиков температуры.

Система, предназначенная для выдачи диаграммы распределения тепловых потоков в определенной среде, работает следующим образом. При включении питания прибор автоматически производит самотестирование для определения работоспособности. При обнаружении внутренней неисправности прибор прекращает работу. По завершению теста определяется наличие подключенных датчиков, установленных в исследуемом помещении, состояние датчиков записывается в ОЗУ. Также оператору предлагается ввести текущее время и дату. Установка текущего времени необходима только один раз, при первом включении прибора. В дальнейшем счет времени будет происходить в микроконтроллере автоматически по заранее заданной программе. Далее определяется первый по списку датчик и происходит поступление информации через аналоговый коммутатор и АЦП в микропроцессор вычислительного устройства, где происходит обработка информации, которая затем поступает в ОЗУ. Далее происходит опрос второго и последующих датчиков. После поступления в вычислительное устройство информации со всех датчиков, происходит вычисление средней температуры, а также изменению температуры, измеренной каждым датчиком по сравнению с прошлым циклом. Затем информация поступает из ОЗУ в ППЗУ, выполненное на микросхеме FLASH памяти с целью увеличения надежности. Также в ППЗУ записывается дата и текущее время суток. Одновременно вся информация в виде диаграммы распределения тепловых потоков выводится на монитор и поступает через COM порт и модем по телефонной линии в главный ПК, где может храниться и обрабатываться информация, поступившая от нескольких подобных систем. В это же время происходит опрос сенсорной клавиатуры, которая представляет единый комплекс с монитором. Если было произведено касание клавиши, то происходит обработка, изменение параметров и возвращение в основной текст программы. Если клавиша была не нажата, то начинается новый цикл опроса датчиков. Помимо этого пользователь как непосредственно на месте, так и с помощью главного ПК вывести на монитор информацию о температуре за последние 400 дней. Проанализировав распределение тепла в исследуемом помещении, в дальнейшем можно будет правильно произвести установку обогревательных (или охладительных) систем. Данная система имеет небольшие габаритные размеры, простоту в настройке и эксплуатации.

Составление структурной схемы

Рис. 1

Система разработана на основе микроконтроллера типа CPJ 188-5MX в формате Micro PC фирмы Fasmel. Модуль CPU188-5MX позволяет наиболее полно реализовать задачи, поставленные на этапе разработки комплекса, при его относительно невысокой стоимости Его функциональные возможности допускают подключение внешних устройств и организацию связи с компьютером верхнего уровня АСУ ТП через интерфейсы RS-485 или RS-232; через универсальный порт ввода-вывода реализуются функции управления индикацией, контроля цепей термопреобразователей сопротивления, управления сигнальными и исполнительными устройствами Данная плата широко используется в разработках, и имеется положительный опыт ее эксплуатации в условиях резко континентального климата в со ставе ряда измерительно-вычислительных комплексов для контроля технологических параметров на предприятиях.

ПЭВМ-ЦП, входящая в оборудование центрального поста комплекса, построена на базе аппаратных средств фирмы Advantech с использованием шасси промышленного компьютера IPC-610, процессорной платы Pentium половинного размера РСА-6151 (166 МГц, 64 Мбайт ОЗУ, интерфейс VGA), платы ввода-вывода PCL-724 и пассивной объединительной платы РСА-6114. Питание компьютера обеспечивается блоком бесперебойного питания АРС Back-UPC 400. Ввод в ПЭВМ-ЦП информации от датчиков реализован через интеллектуальную интерфейсную плату PCL-844+ фирмы Advantech, согласующую потоки данных из разных источников.

коммутатор и входной усилитель аналоговых сигналов, поступающих с датчиков, необходимый для коммутации сигналов в одну общую шину.

аналого-цифровой преобразователь (АЦП), преобразующий входное напряжение в цифровой код.

преобразователь, предназначенный для согласования сигнала поступающего от АЦП в микропроцессор вычислительного устройства.

микроконтроллер, содержащий микропроцессор, оперативно-запоминающее устройство, контроллеры необходимых для сопряжения микроконтроллера с монитором, модемом и принтером.

Подбор элементов и расчет надежности

Поскольку моя система работает в пределах измерения температуры от -10 до +50 °С, с погрешностью измерения температуры не более ±5% и с периодом опроса датчиков через период времени, составляющей не менее 1 минуты, то в качестве элементов используются следующие элементы:

для датчиков температуры используются терморезисторы ММТ-8, для которых характерны следующие параметры: пределы номинального сопротивления 1…1000 Ом, допустимое отклонение сопротивления от номинального 5%, диапазон температур -40 +70°С, постоянная времени не более 35 секунд;

для коммутатора аналоговых сигналов используется аналоговый мультиплексор К1КТ901 со следующими характеристиками: число входов 4, диапазон изменения напряжения на входе 0,1…1 В, коэффициент усиления напряжения на выходе 10, напряжение для управления адресными входами 3,3…5 В, потребляемая мощность 300 мВт, надежность 0.997;

в качестве АЦП используется аналого-цифровой преобразователь с двойным интегрированием фирмы Datel ADC-EK8B со следующими параметрами: число разрядов - 8, диапазон входного напряжения 1…10 В, потребляемая мощность 2000 мкВт, надежность 0,999;

преобразователь сигнала необходим для согласования сигнала, поступающего от АЦП в микропроцессор. Используется преобразователь уровня PR964TY93 фирмы Fastwel, с такими характеристиками: входное напряжение 9 В, выходное напряжение 3.3 В, число входов-входов - 8, мощность потребляемая преобразователем <150 мВт, наработка на отказ свыше 7,2 млн. часов;

вычислитель, состоящий из микроконтроллера и периферийных устройств;

микросхема Flash памяти MD2203-D288 (емкость 1024 Мб, количество циклов перезаписи до 109 раз, срок службы 200 лет, потребляемая мощность 1000 мкВт, диапазон рабочих температур -40…+85 °С), также в состав микроконтроллера входят адаптеры для сопряжения его с внешними периферийными устройствами;

жидкокристаллический монитор, служащий для отображения диаграммы распределения тепловых потоков в контролируемом помещении и другой необходимой информации, а также для ввода корректирующих параметров системы. В качестве ЖКИ используется LCD монитор типа HITAC CA 35, со следующими параметрами: размер диагонали экрана 13,3, устойчивость к силовым нагрузкам до 70g, диапазон рабочих температур -20 +50°С, срок службы не менее 5·10 часов;

источник питания, для обеспечения питания всех устройств системы APC Back-UPC 400, с выходной мощностью 250 Вт, входным напряжением питания 220 В, 50 Гц, время работы при отключенном питании около 20 часов;

также имеется внешний модем и внешний принтер, для выдачи данных на печать и передачи их по телефонной или выделенной линии чрез модем на другой ПК.

Все данные об элементах, содержащихся в системе, сведем в таблицу.

№поз.НаименованиеТипПараметр надежности, 1Датчик температурыММТ-8105 2КоммутаторК1КТ9011,8·105 3АЦПADC-EK8B2·105 4Преобразователь уровняPR964TY937,2·105 5МикроконтроллерPCA-61512.5·106 6ППЗУFlash 1024 MB1,75·105 7ЖКИHITAC CA 355·105 8ИБПAPC Back-UPC 4002·105

Рассчитаем интенсивность отказа каждого элемента.

,

где Т - время наработки на отказ.

Рассчитаем суммарную интенсивность отказа.

Построим график аппаратной части системы.

Рис. 2

Построим график информационной части

Рис. 3

Построим график зависимости P3(t).

Рис. 4

Практическое освоение методики оптимизации логических схем и оценки их надежности

В качестве исходных данных возьмем следующие данные:

автоматизированный система тепловой поток

Таблица 2

Номера прерываний и восстановлений работоспособностиномер вариантаНачало работы Конец работы Время восстановления123456 73tHl10.00.0010.31.3411.03.4511.21.1111.45.1112.30.00tKl10.21.1210.51.1311.12.5411.41.2312.25.4313.30.00tвj

Таблица 3

№ варианта Обозначение показателяНомер s-го замера времени обработки сигнала. Время обработки.3S12345 6 7 tis14.1414.1714.0614.1314.1714.1414.15

Расчет оценки средней наработки на отказ (Т0).

На основании исходных данных (таблица 2), произведем расчет суммарного (общего) времени пребывания системы в работоспособном состоянии:

где N = 6 - суммарное за период испытаний количество прерываний работоспособного функционирования;- момент времени фактического начала работы после наступления (l-1 )-го прерывания; - момент времени фактического окончания работы при наступлении l-го прерывания.

Переведем время данное в таблице в секунды и подсчитаем ТPi :- tHl=37272-36000=1272 (сек)- tH2=39073-37894=1179 (сек)- tH3=40374-39825=549 (сек)- tH4=42083-40871=1212 (сек)- tH5=44743-42311=2432 (сек)- tH6=48600-45000=3600 (сек)

Рассчитаем среднюю наработку на отказ по формуле:

где Tpi - суммарное (общее) время пребывания АИС в работоспособном состоянии; - суммарное число отказов АИС.=6

Расчет оценки среднего времени восстановления

Рассчитаем среднее время восстановления в работоспособное состояние после отказа:

где k = 6 - число отказов, после которых происходило восстановление во время испытаний;- время восстановления после j-го отказа. =37894-37272=622(сек)=39822-39073=749(сек)=40871-40374=497(сек)=42311-42083=228(сек)=45000-44743=257(сек)

Расчет оценки среднего времени реакции на получение входного сигнала.

Вычислим среднее время реакции:

где m = 7 - количество замеров времени обработки запросов i-го типа (табл.3.); время обработки входной информации (табл. 3.).

Расчет значения коэффициента готовности АИС.

Произведем расчет значения коэффициента готовности:

Расчет оценки вероятности надежного преобразования входной информации

Вероятность рассчитывается по формуле:

где Toi и TBj - среднее время наработки на отказ и восстановления после отказа, рассчитываются в п. 4.2 и 4.3.; Tpeaк.i - среднее время реакции, рассчитывается в п. 4.4.

Определение значения доверительной вероятности ? для интервала оценивания.

В качестве значения доверительной вероятности ? возьмем значение ?=0,975 для повышения точности расчетов.

Расчет доверительных границ заданных показателей надежности

Расчет нижней () и верхней () доверительных границ для показателя наработки на отказ можно произвести по формулам:

где коэффициенты r1(k,a) = 2.73 и r3(k,a) = 0,52 берутся из табл. 1.1. и 1.2. в приложении 1 [1];

= 1707.3 - оценка, рассчитанная в п.4.2.;

? = 0,975 - доверительная вероятность.

Расчет нижней () и верхней () доверительных границ для показателя времени восстановления работоспособности АИС производится по формулам:

где коэффициенты r1 (k,a) = 2,73 и r3(k,a) = 0,52;

= 470,6 - оценка, рассчитанная в п. 4.3.

Расчет нижней () и верхней () доверительных границ для показателя коэффициент готовности АИС производится по формулам:

где = 887,7 и = 4660,9 = 244,7 и = 1284,7

Расчет нижней () и верхней () доверительных границ вероятности надежного представления запрашиваемой выходной информации производится по формулам:

где = 887,7 и = 4660,9 = 244,7 и = 1284,7 и = 853,7.

Результаты, полученные при обработке исходных данных, сведем в таблицу 4.

Таблица 4

Среднее время наработки на отказ [сек]Среднее время восстановления работоспособности после отказа [сек]Коэффициент готовности Вероятность надежного преобразования запрашиваемой входной информации за время равное 8 часам. 887,71707,34660,9244,7470,61284,70,410,780,950,210,550,85Заключение

После подбора элементов и расчета надежности получили, что информационная часть на общую вероятность не влияет, тогда на изменение вероятности будет влиять аппаратная часть. Для улучшения вероятности можно поменять, например тип датчика. За время работы системы за 2ч.30мин вероятность работы в информационной части составляет 0,55, а в аппаратной части 0,85, поэтому система работает без сбоя, т.е. надежно.

Список литературы

1. Камразе А.Н., Фитерман М.Я. Контрольно-измерительные приборы и автоматика. Л.: Химия, 1988. - 225 с.

. Автоматические приборы, регуляторы и управляющие машины: Справочник / Под ред. Кошарского Б.Д. -Изд. 3-е. - Л.: Машиностроение, 1976. - 486 с.

. Веревкин А.П., Попков В.Ф. Технические средства автоматизации. Исполнительные устройства: Учеб. пособ. - Уфа.: Изд-во УНИ, 1996. - 95 с.

Содержание Введение Описание работы ССОИ Составление структурной схемы Подбор элементов и расчет надежности Практическое освоение методик

Больше работ по теме: