Системы автоматизированного контроля температуры в силосах элеваторов

Технологическая задача

В соответствии с технологией хранения зернопродуктов необходимо контролировать температуру зерновой насыпи для того, чтобы предотвратить ухудшение качества и потери зерна в результате самосогревания. Технолог, зная начальные значения температуры в различных слоях зерновой насыпи при закладке на хранение, анализирует её изменения во времени и в случае превышения допустимого значения осуществляет технологические операции по искусственному охлаждению посредством активного вентилирования или перемещения зерна из одного силоса в другой. Учитывая, что данные операции оказывают на качество продукта отрицательное воздействие, их проведение должно осуществляться на основе достоверной информации о температурном состоянии зерновой насыпи. Для того чтобы своевременно выявлять возникновение очагов с повышенной температурой в зерновой насыпи, средства, применяемые для контроля температуры, должны обладать высокой чувствительностью и малой погрешностью измерения.

Предшествующие решения и действующие требования

Рис. 1. Силосный корпус элеватора

На рис. 1 показан силосный корпус элеватора. Высота силосов в таких элеваторах – до 30 метров. Зерновая насыпь с точки зрения контроля температуры – сложный объект, и от того, сколько датчиков задействовано и как они распределены в насыпи, зависит эффективность обнаружения возникающих очагов самосогревания. На основе теоретических и практических исследований [1] определены оптимальные значения погрешности измерения температуры зерновой насыпи (не более ±1°C) и интервала расположения точек измерения (не более 1,5 метров по вертикали).

Очаг самосогревания может возникнуть в небольшом слое зерна. При этом температура +35°C в зерновом слое, окружающем очаг самосогревания, достигается только через 10 суток. В это время в самом очаге температура доходит до +54°C, то есть почти до максимального значения. Другими словами, очаг самосогревания начинает увеличиваться в тот момент, когда в нём самом происходит самосогревание на последней стадии. Причём это увеличение незначительное. Температура +35°C в очаге достигается через 6 суток после начала процесса самосогревания. В этот период температура в зерновом слое около очага всего лишь 22…26°C. Таким образом, если датчики температуры в термоподвеске расположены на расстоянии более 1,5 метров, то при возникновении очага самосогревания между этими датчиками система отработает аварийную ситуацию только тогда, когда температура в очаге самосогревания достигнет критических значений. Это может привести к большим потерям зерна, что неоднократно и происходило на элеваторах.

В Ростехнадзоре приведённые требования к погрешности измерения температуры предъявляются к системам контроля температуры, устанавливаемым на элеваторах. При этом вся система в целом должна быть сертифицирована как средство измерения. Это связано с тем, что применение различного оборудования для построения системы контроля температуры может не дать требуемой погрешности измерения, даже если отдельные элементы системы сертифицированы.

Рис. 2. Пульт управления устаревшей системы ДКТЭ-4М

До сих пор на многих элеваторах установлены системы дистанционного контроля ДКТЭ-4М, ДКТЭ-4МГ и системы дистанционно-автоматического контроля с машинами МАРС-1500 и М-5. Внешний вид пульта управления системы ДКТЭ-4М показан на рис. 2. Основными общими элементами этих систем контроля температуры служат термоподвески, установленные в силосах элеватора. Термоподвеска состоит из медных терморезисторов, число которых обычно 56. Минимальная абсолютная погрешность измерения температуры зерна в таких системах составляет ±2°С. Очевидно, что данные характеристики не соответствуют упомянутым требованиям Ростехнадзора. Кроме того, все эти системы устанавливались 10-20 лет назад, поэтому кабельные линии и само оборудование в большинстве случаев находятся в неудовлетворительном состоянии. Многие элеваторы сейчас должны начинать замену устаревшего парка термоподвесок. Наряду с этим современное производство требует автоматизации процесса измерения температуры, вывода информации на компьютеры в различных службах элеватора. Автоматизация на базе старых моделей термоподвесок приводит к ощутимым затратам при тех же неудовлетворительных значениях погрешности и малом числе точек контроля.

Преимущества систем на базе цифровых датчиков

В настоящее время начали выпускаться системы автоматизированного контроля температуры на базе цифровых датчиков. Данные системы соответствуют требованиям Ростехнадзора к точности измерения температуры. Применение систем на базе цифровых датчиков температуры обеспечивает целый ряд преимуществ:

• Сокращаются в несколько раз за траты на кабельную продукцию.
• Обеспечиваются стабильные метрологические характеристики системы. Благодаря применению интеллектуальных датчиков точность контроля температуры по сравнению с аналоговыми системами повышается в 3-5 раз и становится абсолютно независимой от изменения сопротивления проводов и переходного сопротивления контактов. Для сравнения: изменение сопротивления линии в старых системах на 0,25 Ом увеличивает погрешность на 1°С.
• Значительно сокращаются пусконаладочные и эксплуатационные расходы при ощутимом повышении надёжности системы. Система не содержит промежуточных коммутаторов, концентраторов и аналого-цифровых преобразователей, требующих калибровки и метрологической поверки. В десятки раз сокращается количество клеммных и паяных соединений. Сокращаются на порядок трудозатраты на монтаж оборудования. Монтаж может осуществляться местной службой эксплуатации и не требует специальных знаний. Система не требует обслуживания в процессе эксплуатации.

Пример реализации

В качестве примера рассмотрим разработанную сотрудниками ООО «Предприятие КОНТАКТ-1» систему автоматизированного контроля температуры АСКТ-01, которая имеет Разрешение Ростехнадзора № РРС 00-23115 на применение и Сертификат RU.C.32.004.A № 24971 об утверждении типа средств измерений.

Аппаратура

Структурные схемы системы приведены на рис. 3.

Рис. 3. Структурные схемы системы АСКТ-01

При применении термоподвесок ТУР-01 (рис. 3, вариант 1) система строится следующим образом. Термоподвески ТУР-01 (рис. 4) подключаются по шести линиям (32 прибора на одну линию). На каждую линию (группу) устанавливается модуль I-7510 для усиления сигнала интерфейса RS-485. Для питания термоподвесок ТУР-01 и модулей I-7510 устанавливаются блоки БП-240 (один блок на две линии). Интерфейсные сигналы RS-485 с линий 1…6 объединяются и поступают на блок БУК-01.

Рис. 4. Термоподвеска ТУР-01

Рис. 5. Внешний вид блока БКТ-12, входящего в состав устройства контроля температуры УКТ-12

При применении устройств контроля температуры УКТ-12 (рис. 3, вариант 2) система строится иначе. Используются 16 устройств контроля температуры УКТ-12. Каждое устройство укомплектовано одним блоком БКТ-12 (рис. 5) и термоподвесками ТП-01 (12 шт.). Для питания БКТ-12 устанавливаются блоки питания LOGO!Power (Siemens) с номиналом 24 В (1,3 A). Блоки БКТ-12 объединяются по интерфейсу RS-485 и подключаются к блоку БУК-01.

Рис. 6. Внешний вид блока БУК-01

Блок БУК-01 (рис. 6) обеспечивает выполнение следующих функций:

• приём данных от термоподвесок ТУР-01.ХХ и/или блоков БКТ-12 по интерфейсу RS-485;
• настройка термоподвесок ТУР-01.ХХ и/или блоков БКТ-12;
• отображение информации о величинах измеряемых параметров и о вводимых настройках на индикаторе;
• отслеживание достижения значениями температуры введённых уставок;
• формирование команд на модули релейной коммутации ADAM-4068 (Advantech) по интерфейсу RS-485 при достижении уставок (при необходимости);
• подача сигналов звуковой и световой сигнализации при достижении уставок;
• ведение журнала событий;
• обмен данными с ПЭВМ (интерфейс RS-485, протокол Modbus RTU).

При меньшем количестве термоподвесок ТУР-01 (устройств контроля температуры УКТ-12) в системе конфигурация выбирается в соответствии с требованиями заказчика. В одной системе могут быть использованы одновременно термоподвески ТУР-01 и устройства контроля температуры УКТ-12. Количество датчиков температуры в термоподвесках ТУР-01 и ТП-01, их длина и количество в одном силосе определяются при заказе.

Термоподвески ТУР-01 и ТП-01 обеспечивают измерение температуры продукта в 30 точках по всей высоте силоса с дискретностью 1 метр. Термоподвеска ТУР-01 обеспечивает также контроль уровня продукта. Диапазон измерения температуры от –40 до +70°C, диапазон измерения уровня до 30 метров. Динамика изменения температуры отслеживается с погрешностью ±1°С, а динамика изменения уровня – с погрешностью ±1%. Конструктивно приборы ТУР-01 и ТП-01 состоят из механически и электрически объединённых электронного модуля и измерительного шлейфа. Измерительный шлейф представляет собой трубчатую оболочку из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, внутри которой размещены датчики температуры с кодовым выходным сигналом, подключённые к электронному модулю. Такая конструкция уменьшает нагрузку, создаваемую термоподвеской на перекрытие силоса, что позволяет успешно использовать данные приборы в металлических силосах любого диаметра.

Рис. 7. Монтаж блока БП-240

К вторичным приборам системы АСКТ-01 относятся блоки БУК-01 и БП-240, интерфейсные модули и модули релейной коммутации, а также блоки питания LOGO!Power. Блоки БУК-01 и БП-240 изготовлены из следующих комплектующих: БУК-01 использует корпус RCP-2500 (Bopla), модуль I-7188XA (ICP DAS), модуль индикации DK8072 (ИКОС), блок LOGO!Power 24 В (1,3 A); БП-240 (рис. 7) строится на базе шкафа CONCEPTLINE 400×400×220 мм (Schroff) с использованием блоков питания LOGO!Power 24 В (2,5 A). С учётом особенностей условий эксплуатации на элеваторах в корпусах приборов системы установлены герметичные кабельные вводы фирмы RST, обеспечивающие корпусам степень защиты не ниже IP54. Вторичные приборы прошли сертификацию вместе с термоподвесками в составе АСКТ-01 для применения на объектах хранения и переработки зерна.

Программное обеспечение

По заказу для системы АСКТ-01 поставляется программное обеспечение «АСК ТУР», которое обеспечивает отображение данных о температуре в силосах, архивирование данных, создание отчётов. Программное обеспечение поддерживает возможность отображения данных по 1024 термоподвескам. «АСК ТУР» содержит следующий набор программ: сервер опроса приборов, клиентское приложение, сервер базы данных MySQL.

Сервер опроса приборов осуществляет следующие функции:

• опрос блоков БУК-01 (до 5 шт.);
• сохранение в архиве данных о температуре и уровне продукта;
• ввод уставок по уровню и температуре для каждого силоса.

Клиентское приложение осуществляет следующие функции:

• отображение текущих и архивных значений температуры и уровня продукта;
• создание и печать отчётов на основе текущей и архивной информации.

Сервер базы данных MySQL осуществляет следующие функции:

• ввод, коррекция и хранение таблиц, содержащих параметры настройки системы, текущие и архивные значения температуры и уровня продукта;
• регистрация и проверка прав доступа пользователей к системе;
• получение информации от сервера опроса приборов;
• предоставление информации клиентским приложениям, установленным на различных компьютерах.

Программы сервера опроса приборов и клиентского приложения выполнены на языке Borland Delphi 6.

Рис. 8. Экран клиентского приложения «АСК ТУР»

Главной особенностью системы АСКТ-01 является то, что она настраивается для каждого элеватора. При настройке вводятся названия силосов, осуществляется привязка к входам блоков БУК-01, вводятся геометрические размеры силосов. В системе предусмотрен ввод уставок по температуре и уровню, при включении которых осуществляется цветовая сигнализация; кроме этого, по заданным уставкам температуры производится отображение температуры в виде градиентной заливки, что обеспечивает наглядность представления информации оператору (рис. 8). Для конкретного заказчика могут быть дополнительно разработаны мнемосхемы с изображением силосов в том виде, который применяется на предприятии.

При необходимости заказчики могут использовать свои SCADA-системы для просмотра данных. В блоке БУК-01 для связи с ПЭВМ используется протокол Modbus RTU, который поддерживается большинством SCADA-систем. Система АСКТ-01 сертифицирована без программного обеспечения верхнего уровня, поэтому возможно для отображения данных на ПЭВМ применять любые программы.

Заключение

Цифровые системы контроля температуры, выполненные на основе представленной системы АСКТ-01 с разным количеством и типом термоподвесок, установлены на нескольких десятках предприятий, занимающихся хранением и переработкой зерна, в России и странах СНГ. Среди этих предприятий ОАО «Русская пивоваренная компания» (г. Рязань) – 69 термоподвесок ТУР-01, ООО «Орловский завод по производству солода» (Орловская обл.) – 288 термоподвесок ТУР-01, совхоз «Алексеевский» (Башкирия) – 30 термоподвесок ТП-01 и др. Системы монтируются как на железобетонных элеваторах, так и на металлических силосах различного диаметра.

Имея погрешность измерения температуры не хуже ±1°C и расстояние между датчиками температуры 1 метр, данные системы позволяют своевременно и точно определять очаги самосогревания зерна и тем самым предотвращать возможность возгорания зерновой смеси, которое может привести не только к порче продукции, но и к серьезным разрушениям. При этом стоимость восстановления оборудования и потерянной продукции может оказаться в десятки раз больше стоимости системы контроля температуры.

Литература

1. Сергунов В.С. Дистанционный контроль температуры зерна при хранении. — М.: Агропромиздат, 1987.