БАЛАКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ТЕХНИКИ, ТЕХНОЛОГИИ И

УПРАВЛЕНИЯ

ФАКУЛЬТЕТ ИНЖЕНЕРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ
КАФЕДРА УПРАВЛЕНИЕ И ИНФОРМАТИКА В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «ЭВМ, вычислительные системы и сети»

ДАННЫЕ О СИСТЕМЕ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ ГОРОДА

 Выполнил
 Принял
 
2008

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1 Разработка системы и расчёт её надёжности
1.1 Описание системы
1.2 Выбор элементов и расчёт надёжности системы
2 Расчёт надёжности передачи информации в системе
Заключение
Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ
С целью совершенствования работы, в том числе в условиях рынка, особое внимание в системе управления газовым хозяйством следует обратить на вопросы автоматизации учёта газа в процессе газоснабжения и как следствие – на вопросы повышения оперативности и достоверности получаемой технологической информации. Эта задача может быть решена путём взаимоувязки технических комплексов по учёту расхода газа с программным обеспечением на предприятии.
Автоматизированная система газоснабжения города предназначена для централизованного учёта потребления природного газа на объектах газоснабжения, оснащённых измерительными техническими средствами, контроля параметров газоснабжения, оперативной оценки текущего потребления и управления параметрами газоснабжения.

1. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ И РАСЧЁТ ЕЁ НАДЁЖНОСТИ
1.1 ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ
Система выполняет следующие функции:
¾     сбор, хранение, выдача (за расчётный период) и обработка текущей информации о расходе газа и о значениях контролируемых параметров на объектах газоснабжения, оснащённых расходомерами;
¾     оперативное выявление аварийных ситуаций - контроль выхода значений контролируемых параметров за пределы некоторых значений;
¾     управление технологическими объектами, в том числе в нештатных аварийных (утечке газа) и предаварийных ситуациях, принятие необходимых мер для их устранения – перевод в дистанционное управление заслонками объекта управления.
Предлагаемая система содержит:
¾     первичные измерительные преобразователи - расходомеры;
¾     коммутатор для уменьшения числа соединений с ЭВМ;
¾     аналого-цифровой преобразователь для подачи сигналов на ЭВМ в цифровом коде;
¾     непосредственно ЭВМ со специализированным программным обеспечением, осуществляющая непрерывный циклический опрос модулей (датчиков) с периодом не менее одной минуты, выдачу собранной информации на монитор и её обработку;
¾     цифро-аналоговый преобразователь;
¾     блок усилителей для усиления сигналов, подаваемых на исполнительные механизмы по линиям связи (по одному усилителю на каждое направление связи);
¾     исполнительные механизмы для перекрытия поперечного сечения газовых труб при утечке газа - заслонки.
Использование такого технического комплекса позволяет достаточно расширить площадь контроли­руемой территории, оперативно ана­лизировать технические характеристики газоснабжения и управлять ими.
Данная система обеспечивает формирование, запоминание и выдачу на монитор следующей информации: расход Q₀ газа на центральном пункте и расходы Q₁, Q₂, Q₃ на трёх контролируемых пунктах газоснабжения, обслуживающих различные районы города, и суммарный по этим трём пунктам расход Q_∑; производит сравнение расходов Q₀ и Q_∑, формирует управляющий сигнал для управления соответствующим исполнительным механизмом в случае, если Q₀> Q_∑, т.е если на каком-либо контролируемом пункте произошла утечка газа, тем самым временно прекращая подачу газа.
Цикл работы предлагаемой системы – непрерывный.
Вариант исполнения системы изображён в виде следующей схемы.
 SHAPE  \* MERGEFORMAT

КП1

З1

Р1

коммутатор

КП2

З2

Р2

КП3

З3

Р3

ЦП

З0

Р0

Объект управления

АЦП

микроконтроллер

ЦАП

коммутатор

усилитель

усилитель

усилитель

усилитель

Система работает следующим образом: осуществляется непрерывный циклический опрос (с периодом около 30 минут) 4-х датчиков-расходомеров, фиксирующих соответственно расход Q₀ газа на центральном пункте и расходы Q₁, Q₂, Q₃ на трёх удалённых друг от друга контролируемых пунктах газоснабжения. Далее информация поступает через аналоговый мультиплексор и АЦП в микропроцессор ЭВМ, где происходит обработка с последующей выдачей на монитор информации: определяется суммарный по трём контролируемым пунктам расход Q_∑=Q₁+Q₂+Q₃; производится сравнение расходов Q₀ и Q_∑. В случае, если Q₀> Q_∑, т.е. если на каком-либо контролируемом пункте произошла утечка газа, формируется управляющий сигнал, который через ЦАП, аналоговый демультиплексор и блок усилителей поступает на соответствующую заслонку для перекрытия ею трубопровода.
1.2 ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ И РАСЧЁТ НАДЁЖНОСТИ СИСТЕМЫ
В предлагаемой системе используются следующие элементы:
1) В качестве датчиков расхода были подобраны для трубопровода диаметром 300 мм 4 одинаковых тахометрических турбинных расходомера Турбоквант 6624-0-117-5 венгерской фирмы Мерлаб: 3 расходомера для 3-х контролируемых пунктов, где расход газа около 1,8 м³/с»0,7·10⁴ м³/ч и один расходомер для центрального пункта, где расход газа около 5 м³/с»1,8·10⁴ м³/ч. Для данных расходомеров характерны следующие параметры:
-диапазон измеряемых расходов 0,6-2·10⁴ м³/ч,
-диаметр условного прохода 6-500мм – номинальный диаметр отверстия в трубе, предназначенного для прохода газа (может отличаться от действительного),
-приведённая относительная погрешность 0,5%,
-температура контролируемой среды (газа)-150 +250°С,
-давление контролируемой среды (газа) 6,4 – 32МПа,
-температура окружающей среды -50 +70°С,
-постоянная времени 1-10 мс,
-генерируемый электрический сигнал – 0…20мА,
-допускаемая перегрузка -25% по скорости транспортируемой среды в течение 2 ч. в день,
-потери давления на расходомере не превышают 0,025МПа (при 100%-ной нагрузке) и 0,05 МПа – при максимальной перегрузке,
- время наработки на отказ около 10³ ч.
Тахометрические турбинные расходомеры, основанные на использовании зависимости скорости вращательного движения тела, помещённого в поток движущейся среды в трубопроводе, от расхода измеряемой среды и генерировании электрического сигнала, пропорционального расходу газа, получили наибольшее распространение в системах инженерного оборудования, особенно при измерении расхода газов (среды с малой плотностью) в установках с автоматизированной системой управления технологическим процессом. Турбинные расходомеры обладают весьма высокой точностью, имеют большие пределы измерений (диапазон измеряемых расходов, как правило, не менее 1:10) и малую инерционность (постоянная времени). К достоинствам турбинных расходомеров относится также удобство использования генерируемых ими электрических сигналов.
2) Для коммутатора аналоговых сигналов используется четырёхканальный аналоговый коммутатор КР590КТ1 со схемами управления (мультиплексор) со следующими характеристиками:
-технология – КМОП (микросхемы на КМОП-транзисторах имеют малую мощность потребления в статическом режиме (единицы микроватт), относительно высокое быстродействие, хорошую помехоустойчивость и достаточно большую нагрузочную способность),
-число каналов - 4,
-напряжение источника питания 9В,
-коммутируемый ток (протекающий по открытому каналу коммутатора) -5мА,
-коммутируемое напряжение (максимально допустимое напряжение, прикладываемое между входом и выходом коммутатора) 15В,
-сопротивление коммутатора в открытом состоянии 100 Ом,
-время переключения коммутатора 0,03мкс,
-напряжения для управления адресными входами 0…0,8 В и 7,7…12 В,
-потребляемые токи на адресных входах 3,5 мА и 3,5 мкА,
-время наработки на отказ около 0,06·10⁶ч.
Аналоговые коммутаторы с внутренними цифровыми схемами управления совместимы с микропроцессорными схемами АЦП и ЦАП.
3) В качестве АЦП используется аналого-цифровой преобразователь К572ПВ1А со следующими параметрами:
-число разрядов - 12,
-входное напряжение 12В,
-потребляемый ток 5мА,
-время преобразования 170мкс,
-опорное напряжение 15В,
-время наработки на отказ около 0,05·10⁶ч.
4) В качестве ПЭВМ используется IBM PC совместимый микроконтроллер 6225, включающий процессор 386SX-25/40, контроллеры, необходимые для сопряжения микроконтроллера с монитором и периферийными устройствами, и имеющий следующие характеристики: 4Мбайт RAM, 166МГц, 4 COM, LPT, FDD,EIDE, 10Base-T Ethernet, слот PC/104, 24 канала дискретного ввода-вывода, 2Мбайт ОЗУ, 1Мбайт флэш-диск, 128 кбайт статическое ОЗУ, 2 порта RS-232 (последовательный стандартный интерфейс, реализующий ввод-вывод информации), встроенная среда разработки и исполнения программ CAMBASIC™, DOS 6.22 в ПЗУ, защита портов от статического разряда, низкое энергопотребление, питание напряжением одного номинала +5В, диапазон рабочих температур от -40° до +85°С, среднее время безотказной работы около3,5 тыс. лет »3,1·10⁷ ч.Максимальная мощность выходного сигнала 30Вт.
5) В качестве ЦАП используется быстродействующий цифро-аналоговый преобразователь К1108ПА2 двоичного кода в напряжение со следующими параметрами при напряжениях источников питания 5В и -6В:
-число разрядов - 8,
-потребляемый ток (от двух источников) ≤100мА,
-абсолютная погрешность полной шкалы 1,5%,
-выходное напряжение 2,5В,
-время установления выходного напряжения 1,5мкс,
-время наработки на отказ около 0,05·10⁶ч.
6) Для демультиплексирования аналоговых сигналов используется 555ИД4 -сдвоенный аналоговый демультиплексор 1→4 со следующими характеристиками:
-напряжение источника питания 9В,
-коммутируемый ток (протекающий по открытому каналу коммутатора) -5мА,
-коммутируемое напряжение (максимально допустимое напряжение, прикладываемое между входом и выходом коммутатора) 15В,
-сопротивление коммутатора в открытом состоянии 100 Ом,
-время переключения коммутатора 0,03мкс,
-напряжения для управления общими для двух демультиплексоров адресными входами 0…0,8 В и 7,7…12 В,
-потребляемые токи на адресных входах 3,5 мА и 3,5 мкА,
-время наработки на отказ около 0,06·10⁶ч.
7) В качестве усилителей используются 4 одинаковых магнитных усилителя мощности ТУМ-Б5 со следующими параметрами:
-наибольшее значение сопротивления обмотки управления - 45,5 Ом,
-коэффициент усиления мощности 3600,
-постоянная времени 0,545 сек,
-номинальное напряжение питания 127В,
-сопротивление нагрузки 150Ом,
-коэффициент регулирования 66,
-время наработки на отказ около 0,02·10⁶ч.
Магнитные усилители серии ТУМ предназначены для работы в системах автоматического регулирования в качестве усилителей управляющих сигналов.
8) В качестве запорных и регулирующих устройств используются заслонки стальные ИА99044-300 с электроприводом Б.099.063.008/40К (электродвигатель АОЛ12-2Ф3) фланцевые на 35МПа со следующими характеристиками:
-диаметр условного прохода 300мм,
-мощность электропривода - 0,27кВт,
-время открытия или закрытия 2,3мин,
-время наработки на отказ около 0,1·10⁶ч
Заслонки являются арматурой непрямого действия (управляемой автоматически), где управление рабочим органом происходит под действием импульса, поступающего на привод арматуры из приборов автоматизированной системы управления. Заслонка представляет собой конструкцию арматуры в виде отрезка трубы, внутри которого находится диск, закреплённый на валу, проходящем по диаметру трубы. Поворот диска осуществляется при помощи привода, расположенного вне трубы. Заслонка позволяет осуществить как полное перекрытие трубопровода (особенно целесообразно использовать её при большом диаметре прохода), так и регулирование потока (расхода) газа, что делает её универсальным устройством. Основными достоинствами заслонки являются: простота конструкции, низкая металлоёмкость, невысокая стоимость изготовления, малые габариты, малая строительная длина. В автоматически управляемых системах управление заслонками производится при помощи электропривода.
Составим спецификацию.

№ эл-та	Наименование	Кол-во	Тип	Точность, %	Параметр надёжности,ч
1	Турбинный расходомер	4	Турбоквант 6624-0-117-5	0,5	103
2	Коммутатор	1	КР590КТ1	¾	0,06·106
3	АЦП	1	К572ПВ1А	¾	0,05·106
4	Процессор	1	386SX-25/40	¾	3,1·107
5	ЦАП	1	К1108ПА2	1,5	0,05·106
6	Коммутатор	1	555ИД4	¾	0,06·106
7	Усилитель	4	ТУМ-5Б	¾	0,02·106
8	Заслонка с электроприводом	4	ИА99044-300	¾	0,1·106

Примечание: в качестве точности в строке 1 таблицы указана приведённая относительная погрешность, в строке 5 - абсолютная погрешность полной шкалы.
Рассчитаем интенсивность отказов каждого элемента по формуле ,
где Т – время наработки на отказ.




 
 


Рассчитаем суммарную интенсивность отказа:

(ч^-1).
Вычислим вероятность безотказной работы системы в течение 7000 часов:


Считается, что если P(t)>0,96, то изделие работает надежно.
Построим график зависимости P(t).

Из графика следует, что время, в течение которого вероятность безотказной работы системы больше 0,96, составляет примерно 10 ч.

2. РАСЧЁТ НАДЁЖНОСТИ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В СИСТЕМЕ

1) Подготовка статических данных о наработке на отказ и времени восстановления
Исходные данные (схема номер 14) представим в виде таблицы 2.1.
Таблица 2.1

Номер схемы	Наименование документа	Примечание
14	схема	Данные в табл. 2.2. (00мин. 00сек.)

Таблица 2.2

Номера прерываний и восстановлений работоспособности АИС
Номер схемы	Начало работы Конец работы Время восстановления	1	2	3	4	5	6	7
14	tН1	10.00.00	10.18.19	10.45.46	12.00.15	13.44.45	14.05.08	15.16.45
	tК1	10.12.13	10.27.25	11.56.59	13.34.12	13.56.59	15.13.12	17.00.00
	tвi	00.06.06	00.18.21	00.03.16	00.10.33	00.09.09	00.03.33

Таблица 2.3

Номер схемы	Обозначение показателя	Номер s-го замера времени обработки i-го запроса Время обработки
14	s	1	2	3	4	5
	tis	23.34	25.12	27.16	24.45	27.23

2) Расчет оценки средней наработки на отказ (Т₀)
Суммарное время пребывания системы в работоспособном состоянии рассчитывается по формуле:

где N – суммарное за период испытаний количество прерываний работоспособного функционирования системы, N=7,
t_нl - момент времени фактического начала работы после наступления (l-1)-го прерывания,
t_кl - момент времени фактического окончания работы при наступлении l-го прерывания.
Тогда:
T_Р = (10.12.13-10.00.00) + (10.27.25-10.18.19) + (11.56.59-10.45.46) + (13.34.12-12.00.15) + (13.56.59-13.44.45) + (15.13.12-14.05.08) + (17.00.00+15.16.45) =
=733 + 546 + 4273 + 5637 + 734 + 4084 + 6195 = 22202 (сек.)
Средняя наработка на отказ рассчитывается по формуле:
,
где k - суммарное число отказов.
 (сек.)
3) Расчет оценки среднего времени восстановления
Среднее время восстановления системы в работоспособное состояние после отказа рассчитывается по формуле:

где k = 6 - число отказов, после которых происходило восстановление во время испытаний;
t_Bj - время восстановления системы после j-го отказа.
((10.18.19-10.12.13) + (10.45.46-10.27.25) + (12.00.15-11.56.59) + (13.44.45-13.34.12) + (14.05.08-13.56.59) + (15.16.45-15.13.12))=
=   ·3058 = 509.7 (сек.)
4) Расчет оценки среднего времени реакции на получение входного сигнала
Среднее время реакции системы на входной сигнал рассчитывается по формуле:

где m - количество замеров времени обработки сигнала;
t_s - время обработки s-го сигнала.
23.34+25.12+27.16+24.45+27.23) = ·7690 = 1538 (сек.)
5) Расчет оценки коэффициента готовности системы
Расчет значения коэффициента готовности системы производится по следующей формуле:

Тогда .
6) Расчет оценки вероятности надежного преобразования входной информации14-й схемой
Вероятность надежного преобразования входной информации рассчитывается по формуле:
,
где T_o и Т_B - среднее время наработки на отказ и восстановления после отказа системы;
Т_реак - среднее время реакции системы на входной сигнал.
Тогда .
7) Определение значения доверительной вероятности a для интервала оценивания
Выберем доверительную вероятность a=0,95. При такой вероятности достигается высокая надёжность и точность.
8) Расчет доверительных границ заданных показателей надежности
Расчет нижней ( ) и верхней ( ) доверительных границ для показателя наработки на отказ производится по формулам:
, ,
где коэффициенты r₁(k, a) и r₃(k, a) берутся из таблиц 1.1. и 1.2. [1]: r₁=2,29, r₃=0,57;
- оценка, рассчитанная в пункте (1), сек.
a                   - доверительная вероятность, a=0,95.
Тогда (сек.)
 (сек.).
Расчет нижней ( ) и верхней ( ) доверительных границ для показателя времени восстановления работоспособности системы производится по формулам:
, ,
где r₁=2,29, r₃=0,57;
-оценка, рассчитанная в пункте (3), T_B = 509,7 сек.;
a - доверительная вероятность, a=0,95.
Тогда  (сек.),
 (сек.).
Расчет нижней ( ) и верхней ( ) доверительных границ для показателя коэффициент готовности системы производится по формулам:
, .
Тогда ,
.
Расчет нижней ( ) и верхней ( ) доверительных границ вероятности надежного преобразования входной информации производится по формулам:
,
.
Тогда ,
.
9) Сведение полученных результатов в выходную форму (таблица 2)
Результаты, полученные при обработке исходных данных, сведём в таблицу.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Внедрение объектов разработанной автоматизированной системы управления в систему газоснабжения города существенно повысит оперативность и достоверность получения информации по различным направлениям деятельности предприятия газоснабжения: объёмы реализации газа, лимиты, техническое обслуживание и многое другое.
Благодаря упорядоченному движению информационных потоков, предложенной организации сбора и обработки данных система позволяет снизить потребность подразделений предприятия в операторах, а также повышает эффективность работы в процессе управления городской газораспределительной организацией.
Развитие системы осуществляется путём наращивания числа контролируемых пунктов, оснащённых соответствующими датчиками, и путём подключения дополнительных усилителей сигналов передачи, а также введением дополнительных датчиков – газоанализаторов.
Анализ разработанной системы показал, что вероятность надёжной передачи информации системы выше вероятности её безотказной работы. Для увеличения времени безотказной работы системы необходимо заменить в ней наименее надёжные элементы, в данном случае, датчики, на более надёжные, обладающие меньшей интенсивностью отказов.

СПИСОК ИСПОЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1 Измерение параметров газообразных и жидких сред при эксплуатации инженерного оборудования зданий: Справ. пособие / А.А. Поляков, В.А. Канаво, Г.Н. Бобровников, А.В. Архипов; Под ред. А.А. Полякова. – М.: Стройиздат,1987. – 352 с.: ил.
2 Трубопроводная арматура с автоматическим управлением: Справочник / Д.Ф. Гуревич, О.Н. Заринский, С.И. Косых. – Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-е, 1982. - 320с., ил.
3 Расходомеры и счётчики количества. Изд. 3-е, переработ. И доп. / Кремлёвский П.П. – Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-е, 1975. - 776с., ил.
4 Цифровые и аналоговые интегр. микросхемы: Справочник / С.В. Якубовский, Л.И. Ниссельсон, В.И. Кулешова и др.; Под ред. С.В. Якубовского. – М.: Радио и связь,1989. – 496 с.: ил.
5 Вениаминов В.Н., Лебедев О.Н., Мирошниченко А.И. Микросхемы и их применение: Справ. пособие, 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь,1.240с.:-ил. – (Массовая радиобиблиотека; Вып.114).
6 Справочные данные по электрооборудованию, т.II, Электрооборудование для тяжёлого машиностроения и металлургических цехов. М.-Л., издательство «Энергия», 480с., с черт.
7 Калабухов В., Степанов С. Обеспечение функций сбора информации и телеуправления на объектах магистральных газопроводов.//СТА. – 2001. - №2. – С.34-43.
8 http://www.cta/ru/pdf/2000_2/neftegaz2_2002.pdf