Автоматизированная система управления динамикой принудительной вентиляции в герметичном контейнере и способ ее задействования
Владельцы патента RU 2453895:
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (RU)
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ - ВНИИЭФ") (RU)
Группа изобретений относится к средствам управления газообменом между замкнутым герметичным объемом и внешней средой. Технический результат заключается в обеспечении возможности управления динамикой принудительной вентиляции в герметичном контейнере, в котором происходит каталитическое окисление водорода кислородом воздуха. Для этого в автоматизированной системе управления динамикой принудительной вентиляции в герметичном контейнере в отличие от прототипа в качестве исполнительных устройств используют электропневмоклапаны, размещенные по одному в пневмомагистралях, связывающих их с герметичным контейнером, при этом в одной пневмагистрали электропневмоклапан соединен дополнительно с датчиком кислорода и с микрокомпрессором, а в другой - с фильтром, сообщающимся с внешней средой, и имеют прямые и обратные электрические связи с блоком управления по цепям управления и питания для управления изменением положения рабочих органов электропневмоклапанов, в герметичном контейнере дополнительно размещены источники водорода и других газов, поглотители газообразных продуктов процесса каталитического окисления водорода и других газов. Также предложен способ задействования указанной системы в герметичном контейнере. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.
Предлагаемое изобретение относится к средствам управления газообменом между замкнутым герметичным объемом и внешней средой и может быть использовано для автоматического поддержания заданного состава газовой среды в химических реакторах, контейнерах.
Известна автоматизированная система управления степенью герметичности защитной оболочки на судах (патент РФ №02151383, МПК G01M 3/00, опубл. 20.06.2000 г.), содержащая блок управления, сформированный по заранее заданному алгоритму, построенному на логической связи электрических параметров элементов автоматизированной системы, который включает источник электропитания, аналого-цифровой преобразователь информационных и силовых управляющих сигналов, датчики, регистрирующие параметры автоматизированной системы, средства коммутации информационных и силовых управляющих сигналов, электрически связанные с цифровым электронно-вычислительным устройством и подключенные к электроприводам регулируемых рабочих органов исполнительных устройств, составляющих систему исполнительных механизмов, собственно исполнительные устройства и электроприводы регулируемых рабочих органов группы исполнительных устройств, пневмомагистрали, соединяющие датчики с исполнительными механизмами и с объектом регулирования.
Недостатком известного устройства является отсутствие возможности управления динамикой принудительной вентиляции в герметичном контейнере, в котором происходит каталитическое окисление водорода кислородом воздуха.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка автоматизированной системы и способа ее задействования для управления динамикой принудительной вентиляции герметичных контейнеров, в которых происходит каталитическое окисление водорода кислородом воздуха.
Новый технический результат, обеспечиваемый при использовании предлагаемого устройства, заключается в обеспечении возможности управления динамикой принудительной вентиляции в герметичном контейнере, в котором происходит каталитическое окисление водорода кислородом воздуха, поступающим за счет ускоренного газообмена герметичного контейнера с окружающей средой, для обеспечения регулируемого притока кислорода из воздуха в указанный контейнер с размещенными в нем источниками водорода и других газов, доступ к которому ограничен, обеспечения восстановления работоспособности катализатора.
Указанные задача и технические результаты обеспечиваются тем, что автоматизированная система управления динамикой принудительной вентиляции в герметичном контейнере содержит блок управления, сформированный по заранее заданному алгоритму, построенному на логической связи электрических параметров элементов автоматизированной системы, который включает источник электропитания, аналого-цифровой преобразователь информационных и силовых управляющих сигналов в виде блока преобразования интерфейсов, датчики, регистрирующие параметры автоматизированной системы, средства коммутации информационных и силовых управляющих сигналов в виде блока ввода-вывода интерфейсов, электрически связанные с цифровым электронно-вычислительным устройством и подключенные к электроприводам регулируемых рабочих органов исполнительных устройств, составляющие систему исполнительных механизмов, собственно исполнительные устройства и электроприводы регулируемых рабочих органов группы исполнительных устройств, пневмомагистрали, соединяющие датчики с исполнительными механизмами и с герметичным контейнером, согласно изобретению в качестве исполнительных устройств автоматизированная система содержит электропневмоклапаны, размещенные по одному в пневмомагистралях, связывающих их с герметичным контейнером, при этом в одной пневмагистрали электропневмоклапан соединен дополнительно с датчиком кислорода и микрокомпрессором, а в другой - с фильтром, сообщающимся с внешней средой, и имеют прямые и обратные электрические связи с блоком управления по цепям управления и питания для управления изменением положения рабочих органов электропневмоклапанов, в герметичном контейнере дополнительно размещены источники водорода и других газов, поглотители газообразных продуктов процесса каталитического окисления водорода и других газов.
Кроме того, автоматизированная система содержит заданное число пневмомагистралей с электропневмоклапанами, подключенных к соответствующему числу герметичных контейнеров и к блоку управления через многоканальный блок ввода-вывода интерфейсов.
Кроме того, автоматизированная система содержит в качестве исполнительного устройства дополнительно в каждой пневмомагистрали электропневмодроссели, соединенные с электропневмоклапанами.
Кроме того, автоматизированная система содержит датчик водорода, совмещенный с датчиком кислорода в едином аналитическом блоке.
Кроме того, автоматизированная система содержит в каждой пневмомагистрали между блоком управления и электропневмоклапанами по одному электрорезаку.
Кроме того, автоматизированная система содержит в пневмомагистрали, где размещен электропневмоклапан с фильтром, микронасос.
Новым в предлагаемом устройстве является обеспечение надежности процесса регулирования содержания кислорода и водорода в герметичном контейнере и гибкости процесса за счет своевременной и в необходимом количестве корректировки концентрации указанных компонентов во избежании достижения критических концентраций кислорода и водорода и повышение скорости газообмена с внешней средой.
Известен в качестве прототипа предлагаемого способ задействования автоматизированной системы управления степенью герметизации в защитной оболочке (патент РФ №02151383, МПК G01M 3/00, опубл. 20.06.2000 г.), включающий формирование управляющего сигнала для приведения в действие исполнительных устройств, формирования и коммутации информационных сигналов и управляющих команд.
Недостатком способа-прототипа является отсутствие возможности управления динамикой принудительной вентиляции в герметичном контейнере, в котором происходит каталитическое окисление водорода кислородом воздуха.
Новый технический результат, обеспечиваемый при использовании предлагаемого способа, заключается в обеспечении возможности управления динамикой принудительной вентиляции в герметичном контейнере, в котором происходит каталитическое окисление водорода кислородом воздуха, поступающего за счет ускоренного газообмена герметичного контейнера с окружающей средой, для обеспечения регулируемого притока кислорода из воздуха в указанный контейнер с размещенными в нем источниками водорода и других газов, доступ к которому ограничен, обеспечения восстановления работоспособности катализатора.
Указанные задача и технический результат при использовании предлагаемого способа обеспечиваются тем, что для формирования управляющего сигнала для приведения в действие исполнительных устройств, формирования и коммутации информационных сигналов и управляющих команд, согласно изобретению используют блок управления, сформированный по заранее заданному алгоритму, построенному на логической связи электрических параметров элементов автоматизированной системы, характеризующих начальные, конечные и промежуточные их положения, периодичность опроса датчиков, результаты измерения концентрации кислорода (водорода), посредством которых проводят аппроксимацию показаний датчиков одной из трех функциональных зависимостей содержания кислорода (водорода) в герметичном контейнере от времени (линейной, полиноминальной, экспоненциальной), заложенных в алгоритм, с последующим определением путем интерполяции указанной зависимости промежутка времени, за который произойдет допустимый расход кислорода (рост содержания водорода), и передачи сформированного управляющего сигнала по интерфейсу на соответствующее открытие электроприводом электропневмоклапана в пневмомагистрали, связывающей его с фильтром, и включения микрокомпрессора и микронасоса для выпуска газа из герметичного контейнера и впуска кислорода из воздуха в герметичный контейнер, компенсирующего расход кислорода, или закрытие электропневмоклапана в пневмомагистрали, связывающей его с фильтром, и выключения микрокомпрессора и микронасоса по завершении процесса газообмена для измерения датчиком текущей концентрации кислорода (водорода) в герметичном контейнере, результаты этих измерений фиксируются в памяти блока управления, затем передаются по интерфейсу на электропривод исполнительных устройств с возможностью доведения величины концентрации кислорода в герметичном контейнере до уровня номинальной (допустимой).
Предлагаемое изобретение поясняется следующим образом.
На фиг.1 представлен общий вид основного варианта автоматизированной системы управления динамикой принудительной вентиляции в герметичном контейнере (не показан), где 1, 10 - электропневмоклапаны, 2 - датчик кислорода, 3 - микрокомпрессор, 4 - блок управления, содержащий: 5 - источник электропитания, 6 - блок ввода-вывода интерфейсов, 7 - блок преобразования интерфейсов; 8 - фильтр, 9 - пневмомагистрали.
Автоматизированная система управления динамикой принудительной вентиляции в герметичном контейнере работает следующим образом.
В начальный момент подается управляющий сигнал из блока управления 4 на открытие электропневмоклапана в пневмомагистрали, соединяющей герметичный контейнер с датчиком кислорода.
Затем через блок управления автоматизированной системы производится опрос показаний датчика кислорода 2 на содержание кислорода в герметичном контейнере, который будет проводиться в режиме текущего времени. Датчик задействуется от источника электропитания 5.
Блок управления сформирован по заранее заданному алгоритму, построенному на логической связи электрических параметров элементов автоматизированной системы, а именно на связи (линейной, полиноминальной, экспоненциальной) исходных показаний, заложенных в алгоритм, с последующим определением путем интерполяции с помощью указанных зависимостей результатов текущих измерений концентрации кислорода от промежутка времени, за который произойдет допустимый расход кислорода в герметичном контейнере. При достижении крайних заданных значений расхода кислорода производится передача сформированного управляющего сигнала по интерфейсу на соответствующее открытие электроприводом электропневмоклапана в пневмомагистрали, связывающей его с фильтром, и включения микрокомпрессора и микронасоса для выпуска газа из герметичного контейнера и впуска кислорода из воздуха в герметичный контейнер, компенсирующего расход кислорода, или закрытие электропневмоклапана в пневмомагистрали, связывающей его с фильтром, и выключения микрокомпрессора и микронасоса по завершении процесса газообмена для измерения датчиком текущей концентрации кислорода в герметичном контейнере, результаты этих измерений фиксируются в памяти блока управления, затем передаются по интерфейсу на электропривод исполнительных устройств с возможностью доведения величины концентрации кислорода в герметичном контейнере до уровня номинальной (допустимой).
В более общем случае при наличии в системе дополнительно датчика водорода, совмещенного с датчиком кислорода в едином аналитическом блоке, и микронасоса, номинальными (допустимыми) значениями показаний датчиков кислорода и водорода являются следующие:
Сo2=20,9 об.%; Сн2=0 об.%, что соответствует соотношению кислорода и водорода в атмосфере воздуха.
Критические (конечные) значения концентраций кислорода и водорода являются следующие значения:
Со2=2,0 об.%; Сн2=4,0 об.%, что соответствует состоянию «гремучей смеси» (горючей смеси) и является недопустимым для герметичного контейнера. Сигналы, соответствующие номинальным и критическим значениям концентраций кислорода и водорода, закладываются в блок памяти в составе блока 4 и поступают в блок 6.
При наличии датчика водорода измеряют исходные значения концентраций кислорода и водорода и тем и другим датчиком. Соответствующие этим значениям концентраций кислорода и водорода электрические сигналы (аналоговые сигналы) датчиков кислорода и водорода поступают в блок ввода-вывода интерфейсов 6 и преобразуются в цифровой сигнал аналого-цифровым преобразователем из состава блока 4. Эти значения закладываются в блок памяти в составе блока 4 и поступают в блок 7, где преобразуются в вид, необходимый для передачи по последовательной или параллельной линии внешним потребителям (ПК или оператору автоматизированной системы). Периодичность опроса текущих показаний датчиков кислорода и водорода определяется в блоке управления на основе построения графических зависимостей, например линейных или иных, выявленных в процессе наблюдений за изменением текущих значений концентраций кислорода и водорода, аппроксимирующих и интерполирующих зависимостей, соединяющих точки, соответствующие исходным, текущим и критическим значениям концентраций кислорода и водорода.
Последующие изменения показаний датчиков кислорода и водорода (Стекущее) в режиме текущего времени (с учетом истечения водорода из источников водорода и расхода кислорода на каталитическое окисление водорода в герметичном контейнере) будут приближаться к критическим значениям.
Процесс измерения и передачи текущих сигналов будет производиться аналогично измерению исходных значений концентраций кислорода и водорода.
Все измеренные сигналы будут заложены в блок памяти в составе блока 4.
Количество текущих измерений концентраций кислорода и водорода в период времени между исходными (номинальными) и конечными (критическими) их значениями составляет 3-5 точек, что ограничено емкостью источников питания 5 при длительной эксплуатации предлагаемой системы.
В блоке управления 4 при достижении текущих значений концентраций кислорода и/или водорода, равных критическим значениям, формируется сигнал управления на задействование микрокомпрессора 3 при открытом электропневмоклапане 1 в пневмомагистрали, соединяющей герметичный контейнер с датчиком кислорода 2 (водорода) и открытие электропневмоклапана 10 в пневмомагистрали, соединяющей герметичный контейнер с фильтром 8 и задействование микронасоса (при его наличии).
В этот момент происходит принудительная вентиляция герметичного контейнера за счет притока воздуха нагнетанием из внешней среды при одновременной откачке газа микронасосом из герметичного контейнера и достижение исходных (допустимых) значений концентраций кислорода и водорода. Процесс принудительной вентиляции может повторяться неоднократно за период времени эксплуатации герметичного контейнера.
Предлагаемая автоматизированная система используется для управления быстротекущими газообменными процессами.
Таким образом, предлагаемая автоматизированная система обеспечивает надежное и гибкое управление динамикой принудительной вентиляции в герметичном контейнере, в котором происходит каталитическое окисление водорода кислородом воздуха, поступающего за счет принудительного газообмена герметичного контейнера с окружающей средой, для обеспечения регулируемого притока кислорода из воздуха в указанный контейнер с размещенными в нем источниками водорода и других газов, доступ к которому ограничен, обеспечения восстановления работоспособности катализатора (на основе палладия) и ускорение процесса газообмена.
Возможность промышленной реализации предлагаемого изобретения подтверждается следующими примерами.
Пример 1. Предлагаемая автоматизированная система опробована на действующем макете, где в качестве функциональных составляющих системы использованы покупные готовые изделия блоки (модуль аналогового ввода типа NL-4RTD, блок питания типа DRA18-12, блок интерфейсов типа NL-232C, электропневмоклапан типа ЭК-48, датчик кислорода типа Оксик-15, фильтр-поглотитель типа АПДС14), микрокомпрессор и микронасос, совмещенные в одном микронагнетателе типа МР2-2Г-01.
В начальный момент времени герметичный контейнер заполнен азотом в качестве инертной среды, а содержание кислорода и водорода соответствует их критическим значениям, электропневмоклапаны 1, 10 закрыты. Блок управления 4 формирует сигнал на открытие электропневмоклапана 1 в пневмомагистрали 9, соединенной с датчиком кислорода 2 и микрокомпрессором 3, открывается электропневмоклапан 1.
Показания датчика, регистрирующего концентрацию кислорода, соответствуют критическому значению. Блок управления 4 формирует сигнал на открытие электропневмоклапана 10 в пневмомагистрали 9, соединенной с фильтром 8, открывается электропневмоклапан 10. В этот же момент блок управления 4 задействует микрокомпрессор 3.
Происходит принудительная вентиляция герметичного контейнера за счет газообмена с внешней средой. При этом концентрация кислорода в герметичном контейнере достигает номинального значения (соответствующего его содержанию в воздухе), а концентрация водорода стремится к нулю. Это фиксируется датчиком кислорода 2. После завершения процесса газообмена блок управления 4 подает сигнал на закрытие электропневмоклапанов 1, 10 и выключение микрокомпрессора 3.
В условиях примера 1 принцип работы автоматизированной системы, состоящей из традиционных блоков, ограничен только возможностью реализации процесса регулирования ситуации с изменением концентраций водорода и кислорода от критической до номинальной, тогда как предлагаемая автоматизированная система обладает большим диапазоном функционирования за счет реализации с ее помощью процесса регулирования ситуации с изменением концентраций водорода и кислорода от номинальной до критической и наоборот.
Пример 2. В условиях примера 1, но с дополнительным включением в систему датчика водорода (типа МТК-50М), совмещенный с датчиком кислорода в едином аналитическом блоке, что обеспечило возможность одновременного измерения концентрации водорода в герметичном контейнере.
Пример 3. В условиях примера 1, но с дополнительным включением в систему электропневмодросселя, что позволило обеспечить плавность газообменного процесса между герметичным контейнером и внешней средой.
Пример 4. В условиях примера 1, но с дополнительным включением в систему 2-х электрорезаков, установленных по одному в каждой пневмомагистрали после электропневмоклапанов, что позволило обеспечить срочное автоматическое отключение системы от герметичного контейнера.
Пример 5. В условиях примера 1, но с дополнительным включением в систему микронасоса в пнемомагистрали с фильтром, что значительно ускоряет процесс газообмена.
Результаты экспериментальных исследований сведены в таблицу 1.
Как это показали примеры, предлагаемая автоматизированная система обеспечивает возможность управления динамикой принудительной вентиляции в герметичном контейнере, в котором происходит каталитическое окисление водорода кислородом воздуха, и регулирование притока кислорода в указанный контейнер для поддержания заданной концентрации кислорода за счет обеспечения возможности приведения системы в исходное положение, а также ускорение процесса газообмена.
| Таблица 1 | ||||
| Примеры реализации | Работоспособность автоматизированной системы, в наличии компонентов для передачи регистрирующих и управляющих сигналов | Время восстановления безопасной концентрации водорода и кислорода, в часах | Время приведения системы в рабочее состояние (инерционность), мин | Время отклика системы (быстродействие), с |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| Устройство | Известная | |||
| прототипа | автоматизированная система не адаптирована применительно к регулированию конкретно процессов в герметичных контейнерах, где протекают химические реакции. | Не предусмотрена | В течение промежутка времени не более 10 мин | Время, прошедшее от момента передачи информационного сигнала датчика до момента срабатывания клапана, измеряется секундами |
| Предлагаемая | Время восстановления | |||
| Предлагаемое устройство | автоматизированная система адаптирована применительно к регулированию конкретно принудительной вентиляции герметичных контейнеров с протекающими в них химическими реакциями. | безопасной концентрации кислорода и водорода лимитировано скоростью нагнетания воздуха внешней среды и выпуска азота из герметичного контейнера во внешнюю среду | В течение промежутка времени не более 10 мин | Время, прошедшее от момента передачи информационного сигнала датчика до момента срабатывания клапана, измеряется секундами |
1. Автоматизированная система управления динамикой принудительной вентиляции в герметичном контейнере, содержащая блок управления, сформированный по заранее заданному алгоритму, построенному на логической связи электрических параметров элементов автоматизированной системы, который включает источник электропитания, аналого-цифровой преобразователь информационных и силовых управляющих сигналов в виде блока преобразования интерфейсов, датчики, регистрирующие параметры автоматизированной системы, средства коммутации информационных и силовых управляющих сигналов в виде блока ввода-вывода интерфейсов, электрически связанные с цифровым электронно-вычислительным устройством и подключенные к электроприводам регулируемых рабочих органов исполнительных устройств, составляющие систему исполнительных механизмов, собственно исполнительные устройства и электроприводы регулируемых рабочих органов группы исполнительных устройств, пневмомагистрали, соединяющие датчики с исполнительными механизмами и с герметичным контейнером, отличающаяся тем, что в качестве исполнительных устройств автоматизированная система содержит электропневмоклапаны, размещенные по одному в пневмомагистралях, связывающих их с герметичным контейнером, при этом в одной пневмомагистрали электропневмоклапан соединен дополнительно с датчиком кислорода и с микрокомпрессором, а в другой - с фильтром, сообщающимся с внешней средой, и имеют прямые и обратные электрические связи с блоком управления по цепям управления и питания для управления изменением положения рабочих органов электропневмоклапанов, в герметичном контейнере дополнительно размещены источники водорода и других газов, поглотители газообразных продуктов процесса каталитического окисления водорода и других газов.
2. Автоматизированная система управления динамикой принудительной вентиляции в герметичном контейнере по п.1, отличающаяся тем, что, с целью обеспечения возможности управления динамикой принудительной вентиляции в нескольких герметичных контейнерах, она содержит заданное число пневмомагистралей с электропневмоклапанами, подключенных к соответствующему числу герметичных контейнеров и к блоку управления через многоканальный блок ввода-вывода интерфейсов.
3. Автоматизированная система управления динамикой принудительной вентиляции в герметичном контейнере по п.1, отличающаяся тем, что в качестве исполнительного устройства она содержит дополнительно в каждой пневмомагистрали электропневмодроссели, соединенные с электропневмоклапанами.
4. Автоматизированная система управления динамикой принудительной вентиляции в герметичном контейнере по п.1, отличающаяся тем, что она содержит дополнительно датчик водорода, совмещенный с датчиком кислорода в едином аналитическом блоке.
5. Автоматизированная система управления динамикой принудительной вентиляции в герметичном контейнере по п.1, отличающаяся тем, что в каждой пневмомагистрали между блоком управления и электропневмоклапанами установлены по одному электрорезаку.
6. Автоматизированная система управления динамикой принудительной вентиляции в герметичном контейнере по п.1, отличающаяся тем, что в пневмомагистрали, где размещен электропневмоклапан с фильтром, дополнительно установлен микронасос.
7. Способ задействования автоматизированной системы управления динамикой принудительной вентиляции в герметичном контейнере по п.1, включающий формирование управляющего сигнала для приведения в действие исполнительных устройств и формирования и коммутации информационных сигналов и управляющих команд, отличающийся тем, что его осуществляют с использованием блока управления, сформированного по заранее заданному алгоритму, построенному на логической связи электрических параметров элементов автоматизированной системы, характеризующих начальные, конечные и промежуточные их положения, периодичность опроса датчиков, результаты измерения концентрации кислорода, посредством которых проводят аппроксимацию показаний датчика одной из трех функциональных зависимостей содержания кислорода в герметичном контейнере от времени (линейной, полиноминальной, экспоненциальной), заложенных в алгоритм, с последующим определением путем интерполяции указанной зависимости промежутка времени, за который произойдет допустимый расход кислорода, и передачи сформированного управляющего сигнала по интерфейсу на соответствующее открытие электроприводом электропневмоклапана в пневмомагистрали, связывающей его с фильтром, и включения микрокомпрессора и микронасоса для выпуска газа из герметичного контейнера и впуска кислорода из воздуха в герметичный контейнер, компенсирующего расход кислорода, или закрытие электропневмоклапана в пневмомагистрали, связывающей его с фильтром, и выключения микрокомпрессора и микронасоса по завершении процесса газообмена для измерения датчиком текущей концентрации кислорода в герметичном контейнере, результаты этих измерений фиксируются в памяти блока управления, затем передаются по интерфейсу на электропривод исполнительных устройств с возможностью доведения величины концентрации кислорода в герметичном контейнере до уровня номинальной.
