Авторы: Е.В. Смирнов (НИТУ «МИСиС»)

Опубликовано на портале «Химическая техника», май 2020

В статье рассматривается создание устройства контроля работы трубных компенсаторов для сокращения аварийных ситуаций в теплосети населенных пунктов.

Целью данной работы является разработка устройства на основе микроконтроллера для мониторинга работы расширительных компенсаторов и прогнозирования аварийных ситуаций в системе теплоснабжения города. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи. Произведен анализ существующих типов расширительных компенсаторов. Подобрана элементная база (контроллер, датчики, устройства сопряжения) для реализации поставленной цели. Собран прототип устройства, разработано ПО для решения задач мониторинга и архивирования передачи данных и протестирована работа системы.

Во многих населенных пунктах страны широко применяется трубная система теплоснабжения, в которой используются и расширительные компенсаторы. При нагревании любой материал расширяется, а значит, трубопроводы тепловых сетей удлиняются при повышении температуры теплоносителя, проходящего в них. Для безаварийной работы тепловой сети используются компенсаторы, которые компенсируют удлинение трубопроводов при их сжатии и растяжении во избежание защемления трубопроводов и их последующей разгерметизации.

В связи с этим необходимость создания и использования устройства контроля работы расширительного компенсатора имеет большое значение для практического применения в системе теплоснабжения и транспортировке тепловой энергии по городу.

Создание уникального устройства на основе микроконтроллеров, способного не только показывать корректную работу системы теплоснабжения, которая используется почти в каждом населенном пункте России, но и прогнозировать аварийные ситуации, автоматизация и компьютеризация данного процесса, весьма актуально.

Резкий скачок развития микропроцессорной отрасли в мире дает возможность создания дешевого устройства для контроля работы трубных компенсаторов.

Целью работы является разработка устройства на основе микроконтроллера для мониторинга работы расширительных компенсаторов и прогнозирования аварийных ситуаций в системе теплоснабжения города.

Задачи исследования включали анализ существующих типов расширительных компенсаторов; подбор элементной базы (контроллер, датчики, устройства сопряжения) для реализации поставленной цели; создание прототипа устройства; разработка ПО для решения задач мониторинга и архивирования передачи данных и тестирование работы системы.

Существуют компенсаторы различных типов.

Сильфонные компенсаторы устанавливаются преимущественно на трубопроводах для транспортировки жидких сред различных видов. Рабочим элементом является сильфон, выполненный из высококачественных коррозионно-стойких сплавов на основе хрома, никеля или титана [1].

Сальниковые компенсаторы предназначены для компенсации температурных расширений на теплотрассах большой протяженности и обладают высокой компенсирующей способностью.

Резиновые компенсаторы – это универсальные компенсаторы, предназначенные для устранения вибраций и температурных расширений на трубопроводе; они способны работать с различными агрессивными средами.

Линзовые компенсаторы предназначены для компенсации температурных расширений и придания жесткости трубопроводу, в котором необходимо поддержание относительно высокого давления. Данный вид компенсаторов отличаются от сильфонных малой компенсирующей способностью.

Линзовые компенсаторы пылегазовоздухоустойчивые (ПГВУ) стальные компенсаторы предназначены для компенсации удлинений газоходов с невысоким давлением и температурой до 425 ℃.

Тканевые компенсаторы используют в системах пыле- и газоотводах преимущественно на промышленных предприятиях. Данный вид компенсаторов положительно себя зарекомендовал, поскольку он имеет высокую компенсирующую способность, высокую жаростойкость и химическую стойкости в кислой, щелочной и соленой среде.

П-образные и Z-образные компенсаторы предназначены для осуществления эффекта самокомпенсации.

Преимущества использования сальниковых компенсаторов в системе теплоснабжения города:

  • большая компенсирующая способность. Явный лидер по данному показателю среди разных видов компенсаторов;
  • малые размеры. В отличие от П-образных и Z-образных компенсаторов они не требуют дополнительного места, так как их диаметр практически совпадает с диаметром трубопровода;
  • оптимальная цена для хозяйств с невысокими доходами;
  • возможность быстрого ремонта.

Наиболее удобная платформа для быстрой разработки электронных устройств – Arduino. Платформа пользуется огромной популярностью во всем мире благодаря удобству и простоте языка программирования, а также открытой архитектуре и программному коду. Устройство программируется через USB без использования программаторов, они также могут получать информацию об окружающей среде посредством различных датчиков и могут управлять различными исполнительными устройствами, такими как микроконтроллеры.

Микроконтроллер представляет собой микросхему, которая используется для управления электронными устройствами. В типичном микроконтроллере имеются функции и процессора, и периферийных устройств, а также содержится оперативная память и/или постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Если говорить кратко, то микроконтроллер – это компьютер, функционирующий на одном кристалле, который способен выполнять относительно несложные операции [1].

Микроконтроллер на плате программируется при помощи языка Wiring (основан на языке C/C++) и среды разработки Arduino (основана на среде Processing). Проекты устройств, основанные на Arduino, могут работать самостоятельно или взаимодействовать с программным обеспечением на компьютере (например, Flash, Processing, MaxMSP). Платы могут быть собраны пользователем самостоятельно или куплены в сборе. Программное обеспечение доступно для бесплатного скачивания. Исходные чертежи схем (файлы CAD) являются общедоступными, пользователи могут применять их по своему усмотрению.

Для системы контроля работы расширительного компенсатора необходимы следующие компоненты:

  • плата Arduino Nano на основе микроконтроллера Atmel ATmega328;
  • плата Arduino Mega 2560 на основе микроконтроллера ATmega2560;
  • часы реального времени DS3231SN – 2;
  • преобразователь сигнала MAX6675;
  • приемопередатчик MAX485ESA+ – 2;
  • энергонезависимая память AT24C512N;
  • ультразвуковой датчик HC-SR04;
  • металлическая термопара типа К;
  • дисплей LCD2x16;
  • считыватель CD карт CD card reader IL;
  • кнопки и резисторы.

Платформа Nano, построенная на микроконтроллере ATmega328, имеет небольшие размеры, штырьковые контакты, что позволяет легко устанавливать её на макетную плату.

 

Характеристики Arduino Nano

Микроконтроллер Atmel ATmega328
Рабочее напряжение (логический уровень), В 5
Входное напряжение, В:  
  • рекомендуемое
7…12
  • предельное
6…20
Цифровые входы/выходы 14 (шесть из которых могут использоваться как выходы ШИМ)
Аналоговые входы 8
Постоянный ток через вход/выход, мА 40
Флеш-память, Кб 32 (ATmega328); 2 Кб – для загрузчика
ОЗУ, Кб 2 (ATmega328)
EEPROM, Кб 1 (ATmega328)
Тактовая частота, МГц 16
Размеры, см 1,85X4,2

 

Данная платформа была выбрана преимущественно за ее компактные размеры.

Arduino Mega построена на микроконтроллере ATmega2560. Плата имеет 54 цифровых входа/выхода (14 из которых могут использоваться как выходы ШИМ), 16 аналоговых входов, четыре последовательных порта UART, кварцевый генератор 16 МГц, USB коннектор, разъем питания, разъем ICSP и кнопку перезагрузки [4]. Таблица 2.

Характеристики Arduino Mega

Микроконтроллер ATmega2560
Рабочее напряжение (логический уровень), В 5
Входное напряжение, В:  
  • рекомендуемое
7…12
  • предельное
6…20
Цифровые входы/выходы 54 (14 из которых могут работать также, как выходы ШИМ)
Аналоговые входы 16
Постоянный ток через вход/выход, мА 40
Постоянный ток для вывода 3,3 В, мА 50
Флеш-память, Кб 256 (8 Кб – для загрузчика)
ОЗУ, Кб 8
Энергонезависимая память, Кб 4
Тактовая частота, МГц 16

 

Данная платформа была выбрана преимущественно за объем флеш-памяти, чтобы поместить в нее весь написанный код программы.

Многие устройства требуют постоянного учёта хронометрических данных (дата, время). Эту функцию выполняют специальные электронные схемы, которые называются часами реального времени, реализованные в виде отдельной микросхемы, к которой нужно добавить кварцевый резонатор и автономный источник питания.

Ультразвуковой дальномер HC-SR04 позволяет измерять расстояние до 4 м. Датчик имеет небольшой размер, что позволяет компактно разместить его на плате электронного устройства.

Преобразователь сигнала MAX6675 нужен для преобразования сигнала из аналогового в цифровой и последующей его обработки.

MAX485ESA является маломощным приемопередатчиком с интерфейсом RS-485. Конструкция MAX485ESA позволяет достигнуть низкого энергопотребления без ущерба для производительности. MAX485ESA содержит один приемник и один передатчик, устройство имеет максимальную скорость передачи данных до 2 Мбит/с. Преимущество интерфейса 485 заключается в том, что он обеспечивает максимальную помехоустойчивость.

Разрабатываемая система должна иметь возможность мониторинга расстояния перемещения труб расширительного компенсатора, а также температуры воды в трубах посредством датчика ультразвукового сигнала и датчика температуры. Кроме того, должна быть возможность записывать и запоминать полученную информацию с определенным интервалом времени с дальнейшей возможностью ее прочтения, обработки данной информации и построения графика на основе полученных параметров.

Существуют методы для правильного расчета и подбора нужного способа компенсирования или определенного компенсатора до точнейших параметров. Но даже в этом случае нельзя дать полную гарантию того, что не произойдет аварийной ситуации на каком-либо компенсаторе. При помощи устройства оператор, получая данные о температуре, расстоянии и времени, сможет определить или предсказать возможную поломку компенсатора.

Устройство мониторинга состояния расширительных компенсаторов состоит из двух частей. Первая часть (Master) включает плату Arduino Mega, клавиатуру в виде кнопок, LCD экран 2´16, часы реального времени (Real Time), считыватель CD карт и интерфейс RS-485. Устройство Master получает и записывает данные во флеш-накопитель, предоставляет возможность управления устройством посредством клавиатуры и экрана.

Вторая часть (Slave) включает плату Arduino Nano, датчик расстояния, датчик температуры, энергонезависимую память, в которой хранится код программы, часы реального времени (Real Time), интерфейс RS-485. Устройство Slave собирает данные с датчиков и отправляет их в устройство Master посредством интерфейса RS-485.

После испытания устройства в течение дня в реальных условиях были сняты показания перемещения трубы расширительного компенсатора. Десятого июня в 16:00 была повышена температура воды, что показано на графике изменения температуры (рис. 1). По графику изменения расстояния видно, как расстояние от датчика до отражающего устройства уменьшается, что говорит о расширении трубы (рис. 2). Таким образом, можно сделать вывод о том, что расширительный компенсатор работает исправно.

Рис. 1. График изменения температуры
Рис. 2. График изменения расстояния

Устройство контроля работы расширительного компенсатора было собрано в специально спроектированную и подготовленную для работы защитную форму преимущественно из пластиковых и деревянных материалов (рис. 3, 4).

Рис. 3. Устройство контроля работы расширительного компенсатора (Slave)
Рис. 4. Устройство контроля работы расширительного компенсатора (Master)

Для разработки и отладки кода используется открытая среда программирования Arduino IDE. Для программирования микроконтроллеров используется простой в освоении основанный на С язык Wiring. Среда уже содержит большое количество встроенных библиотек и примеров работы с ними, остальные библиотеки скачиваются с сети Интернет.

Для изготовления устройства на базе платформы Arduino необходимо подключить периферийные устройства к плате Arduino; создать проект в среде Arduino IDE и подключить нужные библиотеки; написать и отладить управляющую программу.

Программа состоит из скетча (кода), который задает режим работы, а также принимает данные, анализирует, обрабатывает, сохраняет и отправляет дальше исполнителям.

Таким образом, спроектирована, собрана, запущена и успешно протестирована в реальных условиях система мониторинга состояния расширительных компенсаторов в системе теплоснабжения города, что говорит о возможности прогнозирования аварийных ситуаций и контроля работы теплосети на участках, в которых установлены компенсаторы. Данное устройство является прототипом, перспективами развития является создание способа передачи и получения данных бесконтактным путем с помощью WI-FI модуля.

Список использованных источников

  1. ГОСТ 32935-2014. Компенсаторы сильфонные металлические для тепловых сетей. Общие технические условия. М.: Стандартинформ, 2015.
  2. Arduino, датчики и сети для связи устройств: Пер. с англ. 2-е изд. СПб.: БХВ, 2015. 544 с.