Автоматизированная система управления динамикой естественной вентиляции в герметичном контейнере и способ ее задействования

Изобретение используется для автоматического поддержания заданного состава газовой среды в герметичных контейнерах, например в химических реакторах, в которых происходит каталитическое окисление водорода кислородом воздуха. Изобретение направлено на обеспечение возможности управления динамикой естественной вентиляции в таких контейнерах, обеспечение регулируемого притока кислорода из воздуха в них, что обеспечивается за счет того, что система управления согласно изобретению содержит блок управления, который включает источник электропитания, аналого-цифровой преобразователь информационных и силовых управляющих сигналов в виде блока преобразования интерфейсов, датчики, 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, составляющих систему исполнительных механизмов, электроприводы регулируемых рабочих органов группы исполнительных устройств, пневмомагистрали, соединяющие датчики с исполнительными механизмами и с герметичным контейнером. При этом в качестве исполнительных устройств используются электропневмоклапаны, размещенные по одному в пневмомагистралях, связывающих их с герметичным контейнером. В одной пневмомагистрали электропневмоклапан соединен дополнительно с датчиком кислорода, а в другой - с фильтром, сообщающимся с внешней средой. Электропневмоклапаны имеют прямые и обратные электрические связи с блоком управления по цепям управления и питания для управления изменением положения рабочих органов электропневмоклапанов. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

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, публ. 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, составляющие 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 естественной 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 естественной 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 естественной вентиляции в герметичном контейнере, в котором происходит каталитическое окисление водорода кислородом воздуха, поступающим за счет 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 естественной 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, 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.

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 избежание достижения критических концентраций кислорода и водорода.

Известен в качестве прототипа предлагаемого способ задействования автоматизированной системы управления степенью герметизации в защитной оболочке (патент РФ №02151383, МПК G01M 3/00, публ. 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 естественной 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 естественной вентиляции в герметичном контейнере, в котором происходит каталитическое окисление водорода кислородом воздуха, поступающего за счет 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, для запуска кислорода из воздуха в герметичный контейнер (выхода водорода в обратном направлении), компенсирующий расход кислорода, или закрытие электропневмоклапана в пневмомагистрали, соединяющей его с фильтром, по завершении процесса газообмена для измерения датчиками 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 (водорода) в герметичном контейнере до уровня номинальной (допустимой).

Предлагаемое изобретение поясняется следующим образом.

На фиг.1 представлен общий вид основного варианта автоматизированной системы управления динамикой естественной вентиляции в герметичном контейнере (не показан), где 1, 9 - электропневмоклапаны, 2 - датчик кислорода, 3 - блок управления, содержащий: 4 - источник электропитания, 5 - блок ввода-вывода интерфейсов, 6 - блок преобразования интерфейсов; 7 - пневмомагистрали, 8 - фильтр.

Автоматизированная система управления динамикой естественной вентиляции в герметичном контейнере работает следующим образом.

В начальный момент подается управляющий сигнал из блока управления 5 на открытие электропневмоклапана в пневмомагистрали, соединяющей герметичный контейнер с датчиком кислорода (и датчиком водорода при его наличии).

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 4.

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 с фильтром для запуска кислорода из воздуха внешней среды в герметичный контейнер, компенсирующего расход кислорода, или закрытие электропневмоклапана в пневмомагистрали с фильтром по завершении процесса. Результаты этих измерений фиксируются в памяти блока управления, затем преобразуются в сигнал управления и передаются по интерфейсу на электропривод исполнительных устройств (электропривод электропневмоклапана) с возможностью доведения величины концентраций кислорода и водорода 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, 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.

Критическими (конечными) значениями 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 5 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 5 и преобразуются в цифровой сигнал аналого-цифровым преобразователем из состава блока 5. Эти значения закладываются в блок памяти в составе блока 5 и поступают в блок 6, 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 (С_{текущее}) 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 5. 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 4 при длительной эксплуатации предлагаемой системы.

В блоке управления 3 при достижении текущих значений концентраций кислорода и/или водорода, равных критическим значениям, формируется сигнал управления на закрытие исполнительными механизмами электропневмоклапана в пневмомагистрали, соединяющей герметичный контейнер с датчиком кислорода (водорода) и открытие электропневмоклапана в пневмомагистрали, соединяющей герметичный контейнер с фильтром 8.

В этот момент происходит естественная вентиляция герметичного контейнера за счет притока воздуха из внешней среды и достижение исходных (допустимых) значений концентраций кислорода и водорода. Процесс естественной вентиляции может повторяться неоднократно за период времени эксплуатации герметичного контейнера.

Предлагаемая автоматизированная система предназначена для управления медленно текущих самопроизвольных газообменных процессов.

Таким образом, предлагаемая автоматизированная система обеспечивает надежное и гибкое управление динамикой естественной вентиляции в герметичном контейнере, в котором происходит каталитическое окисление водорода кислородом воздуха, поступающего за счет 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.

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).

В начальный момент времени герметичный контейнер заполнен азотом в качестве инертной среды, а содержание кислорода и водорода соответствует их критическим значениям, электропневмоклапаны закрыты. Блок управления 3 формирует сигнал на открытие электропневмоклапана 1 в пневмомагистрали 7, соединенной с датчиком кислорода, открывается электропневмоклапан 1.

Показания датчика, регистрирующего концентрацию кислорода, соответствуют критическому значению. Блок управления 3 формирует сигнал на открытие электропневмоклапана 1 в пневмомагистрали 7, соединенной с фильтром 8, открывается электропневмоклапан 9. В этот момент происходит естественная 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. После завершения процесса газообмена блок управления подает сигнал на закрытие электропневмоклапанов 1 и 9. 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, совмещенного 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.

Результаты экспериментальных исследований сведены в таблицу 1.

Таблица 1
Примеры реализации	Работоспособность автоматизированной системы при наличии компонентов для передачи регистрирующих и управляющих сигналов	Время восстановления безопасной концентрации водорода и кислорода, час	Время приведения системы, рабочее состояние (инерционность), мин	Время отклика системы (быстродействие), сек
1	2	3	4	5
Устройство прототипа	Известная 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
Предлагаемое устройство	Предлагаемая автоматизированная система адаптирована применительно к регулированию конкретно естественной вентиляции герметичных контейнеров с протекающими в них химическими реакциями	Время восстановления безопасной концентрации кислорода и водорода лимитировано скоростью взаимной диффузии кислорода из воздуха внешней среды и 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 естественной 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, составляющих 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, а в другой - с фильтром, сообщающимся с внешней средой, и имеет 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 естественной вентиляции в герметичном контейнере по п.1, отличающаяся тем, что, с целью обеспечения возможности управления динамикой естественной 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 естественной вентиляции в герметичном контейнере по п.1, отличающаяся тем, что, с целью упрощения конструкции и регулирования процесса газообмена, в качестве исполнительного устройства она содержит дополнительно в каждой пневмомагистрали электропневмодроссели, соединенные с электропневмоклапанами.

4. Автоматизированная система управления динамикой естественной вентиляции в герметичном контейнере по п.1, отличающаяся тем, что, с целью обеспечения возможности контролирования изменения концентрации водорода, она содержит датчик водорода, совмещенный с датчиком кислорода в едином аналитическом блоке.

5. Автоматизированная система управления динамикой естественной вентиляции в герметичном контейнере по п.1, отличающаяся тем, что, с целью оперативного отключения автоматизированной системы от пневмомагистралей с электропневмоклапанами, в каждой пневмомагистрали между блоком управления и электропневмоклапанами установлены по одному электрорезаку.

6. Способ задействования автоматизированной системы управления динамикой естественной 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, с целью обеспечения возможности управления динамикой естественной вентиляции в герметичном контейнере, в котором происходит каталитическое окисление водорода кислородом воздуха, для обеспечения регулируемого притока кислорода в указанный контейнер для поддержания заданной концентрации кислорода за счет обеспечения возможности приведения системы в исходное положение, производят 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 для запуска кислорода из воздуха в герметичный контейнер, компенсирующий расход кислорода, или закрытие электропневмоклапана в пневмомагистрали, связывающей его с фильтром, 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.