МИКРОВОЛНОВЫЕ ДАТЧИКИ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРИМЕНЕНИЯ

Д.Н.Шестаков, генеральный директор ООО «ПромРадар»


Ни одна система управления производством не может обойтись без источников первичной информации – датчиков состояния технологического оборудования. На смену кнопочно – релейным пультам приходят микропроцессорные АСУ ТП высочайшей производительности и надежности, датчики оснащаются цифровыми интерфейсами связи, однако это не всегда приводит к повышению общей надежности системы и достоверности ее работы. Причина заключается в том, что сами принципы действия большинства известных типов датчиков накладывают жесткие ограничения на условия, в которых они могут использоваться.

Основной задачей АСУ ТП является точное соблюдение технологии переработки сырья в готовую продукцию. Кроме непрерывного контроля за состоянием оборудования и предупреждения аварийных ситуаций, грамотно построенная система должна следить за перемещением продукта по всей цепочке перерабатывающих машин.

Технологические процессы, связанные с изменением химического состава сырья, смешиванием в потоке различных веществ, увлажнением и т. д. должны при пропадании одного из компонентов обеспечивать надежную отсечку остальных. Для контроля наличия потока продукта до сих пор используются подпружиненные поворотные пластины с микропереключателями. В процессе работы они подвергаются непрерывным ударным нагрузкам влажных и агрессивных сред, что, естественно, очень скоро приводит к «залипанию» контактов или механическому разрушению пластин.

Таким образом, отсутствие надежных и недорогих датчиков для контроля состояния промышленных механизмов приводит к снижению эффективности систем управления производством, уменьшает отдачу от средств, вложенных в автоматизацию. Сложные и дорогостоящие АСУ ТП, привязанные к датчикам традиционных типов, являются лишь средством для удобного группового включения-выключения технологических цепочек и часто не способны улучшить качество продукции, экономить сырье и ресурсы.

Необходимость постоянного технического обслуживания и регулировок датчиков приводит к простоям – для очистки емкостного датчика от налипшего продукта следует разгрузить бункер, подготовить и установить лебедку для опускания в него человека, по окончании работ вновь отрегулировать прибор; для замены тахогенераторного или магнитоиндуктивного датчика скорости на нории необходима полная разборка ее башмака – все это обычно занимает несколько часов, снижая производительность предприятия в целом.

Указанные проблемы несколько лет назад привели к разработке принципиально новых типов приборов – радиолокационных датчиков контроля скорости, датчиков движения и подпора, работа которых основана на взаимодействии контролируемого объекта с радиосигналом частотой около 1010 Гц.

Использование микроволновых методов контроля за состоянием технологического оборудования позволяет полностью избавиться от недостатков датчиков традиционных типов. Более того, новые приборы успешно справляются с множеством нерешенных ранее проблем технологов, служб автоматизации и КИПиА.

Отличительными особенностями этих устройств являются:

•    отсутствие механического и электрического контакта с объектом (средой), расстояние от датчика до объекта может составлять несколько метров;

•    непосредственный контроль объекта (транспортерной ленты, цепи), а не их приводов, натяжных барабанов и т. д.;

•    малое энергопотребление;

•    нечувстствительность к налипанию продукта за счет больших рабочих расстояний;

•    высокая помехоустойчивость и направленность действия;

•    герметичное исполнение;

•    разовая настройка на весь срок службы;

•    высокая надежность, безопасность, отсутствие ионизирующих излучений.

На правой части схемы (рис. 1) приведен список микроволновых датчиков для промышленной автоматики, которые серийно производятся научно-производственной фирмой «ПромРадар», а слева – области применения этих приборов.

Устройство контроля скорости РДКС–01 (патент Российской Федерации №?2109305 от 20.04.98 г.) предназначено для слежения за скоростью движения или вращения различных промышленных установок – горизонтальных и наклонных ленточных транспортеров, норий, других механизмов. Задача прибора – сигнализировать об аварии или отключить механизм в случае выхода скорости его движения (вращения) за пределы установленного диапазона, предупреждая этим аварийную ситуацию.

Устройство состоит из первичного преобразователя РДКС-01ПП (рис.?2) и реле скорости РДКС-01РС (рис.?3), соединяемых между собой двухпроводной линией длиной до 300 метров.

Допплеровский приемо-передающий модуль первичного преобразователя через герметичный пластиковый корпус излучает радиосигнал на движущийся объект. В случае, показанном на рис.?2, таким объектом является лента вертикального ковшового транспортера (нории). Если лента движется, то на выходе модуля возникает переменное напряжение, частота которого прямо пропорциональна скорости движения. После предварительной обработки сигнал преобразуется в последовательность коротких токовых импульсов, не подверженных воздействию промышленных помех, и поступает в реле скорости. Оно обычно устанавливается в электрощитовом помещении вблизи пускателя и при выходе скорости механизма за пределы установленной зоны либо отключает его, либо сигнализирует об аварии.

Описанный выше принцип действия датчика РДКС-01 позволяет контролировать скорость любых объектов независимо от того, из какого материала они изготовлены. Поэтому прибор может применяться на таких машинах, как нории с закрытым башмаком, с пластиковыми ковшами, сдвоенные нории и т. п. Монтаж и подключение датчика не вызывают трудностей, так как, во-первых, связь между РДКС-01ПП и РДКС-01РС осуществляется по двум проводам, а во-вторых, первичный преобразователь может быть установлен в любом месте конвейера. Это позволяет использовать РДКС-01 вместо датчиков старых типов без прокладки дополнительных кабелей.

Корпус первичного преобразователя имеет подтвержденную независимыми испытаниями степень защиты IP54, что позволяет использовать его во взрывоопасных помещениях категории ВIIА (разрешение Госгортехнадзора России № 02-35/470). Завершая обзор датчика РДКС-01, следует отметить, что при всех своих преимуществах он не дороже других отечественных промышленных устройств контроля скорости.

Датчики движения РДД-02 (рис. 4) и РДД-03 (рис. 5) позволяют системе управления «видеть» прохождение продукта через перерабатывающие машины, то есть контролировать весь ход технологического процесса от приема сырья до выпуска готовой продукции. Управляя отключением незагруженных механизмов, предотвращая попадание продукта в воздуховоды аспирационных сетей, датчики движения дают реальную экономию сырья и электроэнергии. Кроме этого, они могут быть использованы для контроля за движением шлюзовых затворов, цепных конвейеров, а также любых других электрических машин. Например, установка датчика движения на цепной конвейер позволит моментально остановить его при обрыве цепи, что избавит предприятие от затрат на ремонт и восстановление разрушенного механизма.

Если «зависание» продукта внутри перерабатывающей машины способно привести к выходу ее из строя, то единственно возможная замена оператору у смотрового окна – установка датчика движения в ее выходящий продуктопровод.

Аналогично устройству контроля скорости РДКС-01, принцип действия датчиков движения основан на эффекте Допплера, то есть движущийся объект вызывает появление электрического сигнала на выходе микроволнового приемо-передающего модуля.

Сигнализатор движения РДД-02 подключается непосредственно к сети переменного тока напряжением 187–242?В, потребляя не более 2 ВА. Степень защиты корпуса РДД-02 – IP54.

Конструкция датчика РДД-03 позволяет устанавливать его на продуктопроводы диаметром от 50 мм. Выходным каскадом прибора является электронный ключ, защищенный от короткого замыкания в цепи нагрузки. Диапазон питающего напряжения (от 12 В постоянного до 220 В переменного тока) и нагрузочные характеристики ключа (от 50 до 500 мА, от 12 до 220 В переменного или постоянного тока) определяются требованиями заказчика. Внутреннее потребление самого датчика не превышает 5 мА, рабочее расстояние – до 30 см, степень защиты от воздействия пыли и воды – IP65.

В типовом исполнении приборы могут определять наличие движения в диапазоне скоростей от 0.1 до 25 м/с. Для очень быстрых объектов верхняя граница контролируемой скорости может быть расширена. Чувствительность датчиков регулируется в широких пределах, позволяя контролировать движение практически любых материалов – от металлических лопастей вентилятора до высушенных отходов деревообрабатывающего производства. В качестве примера на рис.?6 показан вариант установки сигнализатора РДД-02 на цепной транпортер.

Датчик монтируется на короб транспортера вблизи приводной станции. Рабочее расстояние сигнализатора ограничивается регулятором чувствительности так, чтобы датчик реагировал на движение ближней (верхней) ветки цепи. При обрыве цепи в любой точке она сразу провисает у приводной станции, выходя из зоны действия прибора.

Аналогичным образом можно определять не только наличие или отсутствие механических перемещений, но и контролировать изменение расстояния от движущегося объекта до места установки датчика. Так как уровень сигнала зависит от свойств отражающего объекта, датчики движения могут использоваться для того, чтобы сигнализировать о наличии на конвейерной ленте каких-либо предметов или материалов. При необходимости заполнить какую-либо емкость (от бункера до шахты) можно точно определить момент окончания засыпки – опущенный на определенную глубину датчик будет показывать движение наполнителя до тех пор, пока не будет засыпан. Конкретные примеры использования микроволновых датчиков движения в различных отраслях промышленности определяются ее спецификой, но в целом они способны решать самые разнообразные задачи безаварийной эксплуатации оборудования и повысить информативность автоматизированных систем управления.

Принцип действия микроволновых сигнализаторов уровня заключается в ослаблении амплитуды радиосигнала при прохождении им слоя продукта (рис. 7).

На боковые стенки объекта по разным его сторонам устанавливаются генератор и детектор радиосигнала. Когда пространство между ними заполняется продуктом, амплитуда напряжения на выходе детектора резко падает, что приводит к срабатыванию датчика «на подпор». Налипание сырья на СВЧ-узлы не влияет на работу прибора – чувствительность датчика регулируется так, чтобы он срабатывал при полном перекрытии продуктом детекторного модуля.

Слой налипшего продукта в несколько сантиметров не является преградой для распространения радиолуча – прибор сработает, когда толщина слоя составит полную ширину бункера. По этой же причине датчик не реагирует на запыленность внутри объекта, нечувствителен к прикосновению продукта к рабочим поверхностям первичных преобразователей при заполнении и опорожнении бункера. Особенно ярко положительные свойства микроволновых сигнализаторов уровня проявляются в таких местах, где происходит обработка продуктов горячим воздухом или паром – именно там стенки бункера «зарастают» в первые минуты работы и любые другие приборы сразу становятся неработоспособными. Не влияют на датчик и перепады температуры – амплитуда сигнала генератора и чувствительность приемника практически постоянны в диапазоне от –40 до +40°С. Степень защиты выносных модулей от воздействия пыли и воды – не ниже IP65, а сигнализатора – IP54.

В большинстве случаев микроволновые датчики способны заменить радиоактивные изотопные сигнализаторы уровня, эксплуатация которых требует немалых затрат из-за необходимости оплачивать периодические проверки контролирующим органам Атомнадзора. Такая замена не только избавляет предприятие от потенциально опасного оборудования, но и экономически выгодна – стоимость перехода на микроволновые датчики с учетом утилизации радиоизотопных, как правило, меньше, чем затраты на одну периодическую проверку. Микроволновые датчики уже несколько лет успешно работают на месте радиоизотопных с различными средами – от зерна до металлосодержащей руды.

Номенклатура сигнализаторов уровня позволяет использовать их для контроля подпора в различных объектах – самотеках и бункерах размером от 20 см до 8 м. Датчик РСУ-3, предназначенный для объектов небольшого размера, имеет только один выносной модуль – детектор, а генератор радиосигнала встроен в корпус сигнализатора. На рис. 8 показан вариант установки датчика на головку нории, а на рис. 9 – на бункер.

Полностью проконтролировать процесс прохождения продуктом материалопровода позволяет датчик РДДП-01. Он независимо различает движение потока продукта и подпор. Таким образом, прибор индицирует все возможные процессы, происходящие внутри – нет продукта, продукт движется или уже заполнил объект. С помощью выходных сигналов датчика можно добиться, например, постоянного наличия в продуктопроводе потока сырья, включая разгрузку в случае подпора и подачу при отсутствии продукта. Сигнал о движении потока будет сигнализировать о нормальном ходе технологического процесса.

Принцип действия микроволнового датчика движения и подпора иллюстрирует рис. 10. Внутри корпуса сигнализатора установлен допплеровский приемо-передающий модуль. При движении продукта частота отраженного радиосигнала отличается от излученной. Разность частот приводит с срабатыванию канала контроля движения. Часть сигнала проходит сквозь поток и поступает в выносной детектор. Когда объект будет заполнен продуктом, амплитуда напряжения в приемнике упадет, вызывая срабатывание канала контроля подпора. С помощью датчика РДДП-01 возможен контроль объектов размером до 1.5 метров. На рис. 11 показан пример установки датчика на самотек.

Микроволновые устройства контроля скорости, датчики движения и сигнализаторы уровня в течение нескольких лет успешно эксплуатируются на сотнях предприятиях различных отраслей. Они имеют несомненные преимущества над другими типами промышленных датчиков, что позволяет повысить безопасность технологических процессов, снизить износ оборудования, расширить функциональные возможности автоматизированных систем управления производством, существенно экономить материальные и энергетические ресурсы.

Производитель микроволновых датчиков промышленного применения научно-производственная фирма «ПромРадар».  

Журнал "Горная Промышленность" №4 2001