V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Введение

Эффективная работа инженера в настоящее время немыслима без персональных компьютеров (ПК) и развитых телекоммуникационных средств. Работа самого ПК обеспечивается операционной системой (например, MS-DOS, OS/2, Be OS, Linux, Windows и др.), а для решения прикладных задач используют специальные пакеты прикладных программ.

Естественно, квалифицированный пользователь, владеющий в достаточной степени одним из языков программирования (например, С, Pascal, Fortran, Lisp, Prolog и др.), может самостоятельно разработать и отладить отдельную программу или комплекс программ, позволяющий реализовать на ПК алгоритм его задачи. Причем в ряде случаев разработанная пользователем узкоспециализированная программа может работать существенно быстрее, чем программа из программного пакета. Однако такой подход требует, как правило, больших трудозатрат на программирование, отладку и тестирование каждой программы, значительно сокращая долю творческого труда по решению конкретной технической задачи.

Для сокращения времени программирования создано большое количество прикладных пакетов, области использования которых в значительной степени перекрываются. Наиболее известные пакеты прикладных программ, используемые в настоящее время при инженерных расчетах, – это Mathcad, Matlab, Derive, Maple V, Mathematica, VisSim известных зарубежных фирм и пакеты российских производителей СПО Динамика и CLASSIC (разработка СПГЭТУ)¹.

Все указанные пакеты поддерживаются и развиваются крупными фирмами. В Internet имеется достаточное количество страниц, на которых по названию пакета можно найти библиотеки свободно распространяемых программ, учебные пособия, дополнения и исправления к новым версиям программ (patch), ссылки на телеконференции. Наиболее популярной сегодня среди интегрированных систем для автоматизации математических расчетов является система MathCAD, разработанная фирмой MathSoft (США) Количество пользователей в мире — около 1.8 миллионов. Самым большим преимуществом этой системы является описание решения математических задач с помощью привычных математических формул и знаков. Такой же вид имеют и результаты вычислений. Таким образом, система MathCAD вполне оправдывает аббревиатуру CAD (Computer Aided Design), говорящую о принадлежности к наиболее сложным и продвинутым системам автоматического проектирования — САПР². MathCAD — своего рода САПР в математике.

Разнообразные материалы по использованию математических пакетов носят универсальный характер: с их помощью можно разрешать различные задачи, возникающие в инженерной практике. Однако на изучение взаимодействия с программой и построение дееспособного алгоритма решения необходимы соответствующие ресурсы. В то же время в инженерной практике зачастую возникают такие технические задачи, регулярное выполнение которых требует значительных временных затрат на сопутствующую вычислительную работу.

Наличие мощного средства для поддержки профессиональной деятельности инженера и отсутствие банка данных шаблонов с алгоритмами конкретных инженерно-технических расчетов порождает противоречие, разрешение которого и определяет актуальность данного исследования.

Цель исследования: автоматизировать инженерно-технические расчёты профессиональной деятельности специалиста службы контроля за технологическим процессом предприятия.

Объектом исследования является процесс решения инженерно-технических задач средствами интегрированной системы для автоматизации математических расчетов MathCAD.

Предметом исследования являются особенности автоматизации расчёта параметров устройств контроля технологического процесса предприятия в системе MathCad.

В соответствии с указанным объектом, предметом и для достижения поставленной цели были определены следующие задачи исследования:

• проанализировать нормативную, техническую, специальную литературу по теме исследования;

• выявить современные средства решения прикладных инженерно-технических задач;

• определить возможности интегрированной среды математических вычислений MathCAD для реализации инженерно-технических расчётов;

• формализовать прикладную задачу инженерной практики;

• разработать алгоритм её решения в соответствии с нормативными требованиями профессиональной деятельности специалиста и реализовать его в среде MathCAD;

• экспериментально проверить эффективность разработанного алгоритма.

Методы исследования подбирались в соответствии с задачами соответствующего этапа:

• на теоретическом этапе

анализ литературы по проблеме автоматизации инженерно-технических расчётов; изучение нормативных документов; систематизация современных программных средств для реализации инженерно-технических расчётов; структуризация возможностей математического пакета MathCAD для решения прикладной задачи инженерной практики; теоретическое обобщение;

• на эмпирическом этапе использовались экспериментальные методы, диагностирование (наблюдение, апробация, тестирование), опытная эксплуатация.

Таким образом, в работе представлены:

• алгоритм инженерно-технического расчёта реализации контроля за технологическим процессом в интегрированной среде MathCAD;

• рекомендации по организации и проведению расчётов реализации контроля за технологическим процессом.

Работа состоит из четырёх частей: означена постановка инженерной задачи контроля за технологическим процессом на предприятии, констатирована разработка алгоритма автоматизации расчёта параметров устройств контроля технологического процесса, описана реализация построенного алгоритма в интегрированной среде MathCAD, представлен протокол автоматизации расчёта параметров устройств контроля технологического процесса в среде MathCad.

Базой исследования является служба ремонта и эксплуатации контрольно-измерительных приборов и автоматизации (КИПиА) градообразующего предприятия ООО «Тобольск – Нефтехим». К работе прилагается справка о тестовом применении программного модуля определения основной погрешности датчика контроля протекания технологического процесса, разработанного автором. В данной справке начальник участка эксплуатации КИП и А градообразующего предприятия ООО «Тобольск – Нефтехим» А. Р. Сафуллин подтверждает, что использование в практической деятельности сотрудниками службы ремонта и эксплуатации КИП и А означенного программного модуля направлено на интенсификацию расчётов при проведении поверки, калибровки контрольно-измерительных приборов и средств автоматизации, находящихся в эксплуатации на объектах предприятия.

По результатам исследования подготовлена статья «Расчёт параметров устройств контроля технологического процесса в среде MathCad», которая принята к печати в сборнике материалов Всероссийской дистанционной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Технологии. Информатика. Обучение», проводимой на базе ФГБОУ ВПО «ТГСПА им. Д. И. Менделеева» 26 октября 2012 г.

(http://tgspa.ru/info/science/action/show.php?id_conf=53)

1. Постановка задачи автоматизации расчёта параметров устройств контроля технологического процесса

На сегодняшний день автоматизация технологического процесса является актуальной инженерно-технической задачей. Автоматизация технологического процесса – это совокупность методов и средств, предназначенных для реализации системы или систем, позволяющих осуществлять управление самим технологическим процессом без непосредственного участия человека, или управление при оставлении за человеком права принятия наиболее ответственных решений³.

Основными целями автоматизации технологического процесса являются: повышение эффективности; повышение безопасности; повышение экологичности; повышение экономичности производственного процесса.

Цели достигаются посредством решения следующих основных задач автоматизации технологического процесса: улучшение качества регулирования; повышение коэффициента готовности оборудования; улучшение эргономики труда операторов процесса; обеспечение достоверности информации о материальных компонентах, применяемых в производстве и т.д.

Решение задач автоматизации технологического процесса осуществляется при помощи внедрения современных методов и средств автоматизации. Автоматизация технологических процессов в рамках одного производственного процесса позволяет организовать основу для внедрения систем управления производством и систем управления предприятием. В связи с различностью подходов выделяют автоматизацию непрерывных, дискретных и гибридных технологических процессов:

Основа автоматизации технологических процессов — это перераспределение материальных, энергетических и информационных потоков в соответствии с принятым критерием управления (оптимальности). Автоматизация помогает повысить эффективность переработки, осуществляя процесс на оптимальном уровне. Соответственно, требуется новое оборудование, измерительные приборы и технологии мониторинга производственного процесса для увеличения времени бесперебойной работы, повышения производительности, снижения операционных затрат и расходов на обслуживание, соблюдения новых законодательных норм в области защиты окружающей среды.

В качестве прикладной задачи в данном исследовании представлена задача реализации контроля за технологическим процессом на градообразующем предприятии ООО «Тобольск – Нефтехим». Тобольский нефтехимический комплекс (ООО «Тобольск – Нефтехим») — российское нефтехимическое предприятие, расположенное в городе Тобольске Тюменской области. ООО «Тобольск – Нефтехим» является крупнейшим предприятием по переработке углеводородного сырья в Западной Сибири. Предприятие занимается производством бутадиена, изобутилена, метилизобутилового эфира и др. Сырьем для комбината является широкая фракция лёгких углеводородов (ШФЛУ), поставки которой на предприятие осуществляют газоперерабатывающие заводы в Западной Сибири. ООО «Тобольск – Нефтехим» – современное предприятие, основной деятельностью которого является:

- производство сжиженных газов: пропан, изобутан, н-бутан, изопентан, н-пентан, гексан;

- производство мономеров для промышленности синтетических каучуков: бутадиен, изобутилен;

- производство МТБЭ – высокооктановой добавки к автомобильным бензинам

Углеводородное сырьё используется в качестве сырья нефтехимическими предприятиями, из которого производят каучук, моющие средства, автомобильные шины и многое другое. Бутадиен и изобутилен являются исходными мономерами производства синтетических каучуков и пластиков. Изобутилен также служит сырьем для производства метил-трет-бутилового эфира. Метил-трет-бутиловый эфир — кислородосодержащая добавка к автобензинам, применяется в качестве высокооктанового компонента для получения высокооктановых неэтилированных, экологически чистых бензинов.

Производственные мощности ООО «Тобольск – Нефтехим» включают в себя центральную газофракционирующую установку мощностью 3,8 млн. т переработки ШФЛУ в год, производство мономеров для выработки синтетических каучуков — бутадиена (196 тыс. т в год) и изобутилена (83 тыс. т в год), а также производство метил-трет-бутилового эфира – 150 тыс. т в год.

Для сопровождения непрерывного технологического процесса на предприятии создана служба ремонта и эксплуатации контрольно-измерительных приборов и автоматизации (КИПиА), которая функционально осуществляет монтаж контрольно-измерительных приборов и средств автоматизации, находящихся на объектах предприятия, их эксплуатацию, техническое обслуживание, ремонт, подготовку контрольно-измерительных приборов и средств автоматизации к поверке и калибровке.

В этой связи задачами данной службы являются:

• обеспечение бесперебойной и надежной работы контрольно-измерительных приборов и средств автоматизации, находящихся в эксплуатации и закрепленных за службой ремонта и эксплуатации КИПиА;

• обеспечение своевременного и качественного ремонта контрольно-измерительных приборов и средств автоматизации;

• соблюдение графиков планово-предупредительных ремонтов, сроков калибровки и поверки средств измерений органами метрологической службы предприятия и органами Госстандарта Российской Федерации;

• обеспечение достоверности измерений и улучшение параметров измерительной техники;

• участие в работах по автоматизации производственных процессов, внедрению новой измерительной техники и систем автоматического управления технологическими процессами;

• участие в разработке планов перспективного развития предприятия в части, относящейся к автоматизации производства.

В системе автоматизированного управления технологическими процессами по производству бутадиена, МТБЭ (метилтретбутилового эфира) дегидрирования изобутана, выделения концентрированного изобутилена, подготовки и розлива углеводородов и их соединений используются различные приборы, например, буйковые преобразователи уровня (типа Сапфир-22-ДУ), измерительные преобразователи давления, устройства контроля и регистрации ГСП (типа ФЩЛ 501, ФЩЛ 502), преобразователи сигналов (БПС-90) и др.

Общее количество обслуживаемых означенной службой приборов – около 30000 единиц в год. Из этого количества – 3500 приборов «Метран -150» и свыше 7000 приборов аналогичных по типу.

Рисунок 1 – Современные интеллектуальные датчики МЕТРАН-150

Интеллектуальные датчики давления серии «Метран-150» предназначены для непрерывного измерения и контроля входных измеряемых величин: избыточного давления; абсолютного давления; разности давлений; давления разрежения; гидростатического давления (уровня)⁴.

Датчик состоит из сенсорного модуля и электронного преобразователя. Сенсор состоит из измерительного блока и платы аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Давление подается в камеру измерительного блока, преобразуется в деформацию чувствительного элемента и приводит к изменению электрического сигнала, т. е. прибор осуществляет непрерывное преобразование в унифицированный токовый выходной сигнал и/или цифровой сигнал в стандарте протокола HART входных измеряемых величин. Внешний вид датчиков Метран представлен на рисунке 1.

Технические характеристики прибора:

• измеряемые среды: жидкости, в т.ч. нефтепродукты; пар, газ, газовые смеси;

• диапазоны измеряемых давлений: минимальный 0-0,025 кПа; максимальный 0-68 МПа;

• выходные сигналы: 4-20 мА с HART-протоколом; 0-5 мА;

• основная приведенная погрешность до ±0,075%; опции до ±0,2%;

• диапазон температур окружающей среды от –40 до 80°С; от –55 до 80°С;

• перенастройка диапазонов измерений до 100:1;

• высокая стабильность характеристик;

• взрывозащищенное исполнение вида "искробезопасная цепь" и "взрывонепроницаемая оболочка";

• гарантийный срок эксплуатации – 3 года;

• межповерочный интервал – 4 года.

HART-протокол (англ. Highway Addressable Remote Transducer Protocol) — цифровой промышленный протокол передачи данных. Модулированный цифровой сигнал, позволяющий получить информацию о состоянии датчика или осуществить его настройку, накладывается на токовую несущую аналоговой токовой петли уровня 4-20 мА. Таким образом, питание датчика, снятие его первичных показаний и вторичной информации осуществляется по двум проводам. HART-протокол это практически стандарт для современных промышленных датчиков. Приём сигнала о параметре и настройка датчика осуществляется с помощью HART-модема или HART-коммуникатора. К одной паре проводов может быть подключено несколько датчиков. По этим же проводам может передаваться сигнал 4-20 мА.

Для надёжной и стабильной работы необходимо проводить первичную и периодическую поверки приборов контроля технологического процесса предприятия. В ходе поверки устанавливают соответствие с пределами допускаемой основной погрешности от ± 0,05% до ± 0,25%.

При проведении поверки применяют различные средства: манометр абсолютного давления, портативный калибратор давления, вакуумметр теплоэлектрический, вольтметр универсальный, портативный HART-коммуникатор и т.д. Допускается применять и другие средства поверки, технические и метрологические характеристики которых не уступают указанным требованиям⁵.

В ходе поверки реализуется комплекс мероприятий, рассмотрение которых выходит за рамки данного исследования.

Основной проблемой при проведении поверки является определение основной погрешности датчика. Основную погрешность датчика определяют по одному из способов:

1. По эталонному СИ на входе датчика устанавливают номинальные значения входной измеряемой величины (например, давления), а по другому эталонному СИ измеряют соответствующие значения выходного аналогового сигнала (тока или напряжения). При поверке датчика по его цифровому сигналу к выходу подключают приемное устройство, поддерживающее соответствующий цифровой коммуникационный протокол для считывания информации при установленных номинальных значениях входной измеряемой величины;

2. В обоснованных случаях по эталонному СИ устанавливают номинальные значения выходного аналогового сигнала (тока или напряжения) или устанавливают номинальные значения цифрового сигнала датчика, а по другому эталонному СИ измеряют соответствующие значения входной величины (например, давления).

При поверке датчиков с HART-сигналом к выходу подключают портативный HART-коммуникатор, или HART-модем с программным обеспечением для связи с персональным компьютером и считывания информации с цифрового выхода датчика. Могут использоваться другие устройства для считывания информации и управления датчиками по другим коммуникационным протоколам, предусмотренным технической документацией на датчики. При определении основной погрешности датчика показания его аналогового или цифрового индикатора не учитываются. Поверка датчиков с несколькими выходными сигналами, соответствующими одной и той же входной измеряемой величине, производится по одному из этих сигналов (аналоговому или цифровому), если иное не предусмотрено технической документацией на поверяемый датчик⁶.

Эталонные СИ входной величины (давления) включают в схему поверки в соответствии с их руководством по эксплуатации.

1. Алгоритм решения инженерно-технической задачи

Рассматриваемая инженерно-техническая задача сводится к определению основной погрешности датчика контроля давления протекания технологического процесса. Анализ результатов производимых расчётов позволит принять решение о возможности дальнейшей эффективной эксплуатации данного контрольно-измерительного прибора.

Для определения основной погрешности рассматривается поверка датчика давления с выходным аналоговым сигналом постоянного тока⁷. По эталонному средству измерения (СИ) на входе датчика устанавливают номинальные значения входной измеряемой величины (давления), а по другому эталонному СИ измеряют соответствующие значения выходного аналогового сигнала (тока или напряжения). Поверка датчика осуществляется в соответствии с рекомендациями Государственной системы обеспечения единства измерений, Всероссийского научно-исследовательского института метрологической службы Госстандарта России (ВНИИМС) и разработчиков промышленной группы «Метран».

Суть производимых мероприятий: создаваемое давление подается на поверяемый датчик и модуль давления калибратора. Воспринимаемое датчиком давление отображается на жидкокристаллическом индикаторе датчика. Модуль давления вырабатывает токовый сигнал, характеризующий величину давления, который поступает на вход калибратора. На основании этого сигнала в калибраторе определяется величина давления. Сравнение показаний калибратора и датчика позволяет определить погрешность датчика по показаниям. Приведенная погрешность в каждой точке определяется как отношение разности показаний калибратора и датчика к верхнему пределу измерения.

Датчик признают годным, если на всех поверяемых точках модуль основной погрешности , выраженной в % диапазона измерения выходного сигнала, не превышает пределов допускаемых значений в соответствии с условием:

где

	–	модуль основной погрешности на всех поверяемых точках, %;
	–	абсолютное значение отношения контрольного допуска к пределу допускаемой основной погрешности, %;
	–	предел допускаемой основной погрешности поверяемого датчика, %.

Критерии достоверности поверки:

– наибольшая вероятность, при которой любой дефектный экземпляр датчика может быть ошибочно признан годным;

– отношение возможного наибольшего модуля основной погрешности экземпляра датчика, который может быть ошибочно признан годным, к пределу допускаемой основной погрешности.

Параметры поверки:

– число поверяемых точек в диапазоне измерений;

– число наблюдений при экспериментальном определении значений погрешности в каждой из поверяемых точек при изменениях входной измеряемой величины от меньших значений к большим (прямой ход) и от больших значений к меньшим (обратный ход), = 1. В обоснованных случаях и в соответствии с технической документацией на датчик допускается увеличивать число наблюдений в поверяемых точках до 3 или 5, принимая при этом среднеарифметическое значение результатов наблюдений за достоверное значение в данной точке;

– отношение предела допускаемой погрешности эталонных СИ, применяемых при поверке, к пределу допускаемой основной погрешности поверяемого датчика.

Допускаемые значения критериев достоверности поверки = 0,20 и =1,25. Значения параметров в соответствии с принятыми критериями достоверности поверки представлены в таблице 1⁸.

Таблица 1. Параметры и критерии достоверности поверки

	0,2	0,25	0,33	0,4	0,5
	0,94	0,93	0,91	0,82	0,70
	0,20	0,20	0,20	0,10	0,05
	1,14	1,18	1,24	1,22	1,20

Для определения погрешности поверяемого датчика с выходным аналоговым сигналом постоянного тока, значения которого контролируют непосредственно в мА (в каждой поверяемой точке), соблюдают следующие условия:

, где

– предел допускаемой абсолютной погрешности эталонного СИ, контролирующего входную величину (давление, кПа, МПа);

– верхний предел измерений (или диапазон измерений) поверяемого датчика, кПа,

– предел допускаемой абсолютной погрешности эталонного СИ, контролирующего электрический выходной сигнал датчика, мА;

, – соответственно нижнее и верхнее предельные значения выходного сигнала датчика.

Для датчиков с выходным сигналом (4...20) мА: =4мА, =20мА. Для датчиков с выходными сигналами (0...5) мА и (0...20) мА =4мА, =20мА и =20мА соответственно.

– предел допускаемой основной погрешности поверяемого датчика, % нормирующего значения.

Для датчиков с нижним предельным значением измеряемой величины, численно равным нулю, диапазон измерения численно равен верхнему пределу измерений. В этом случае основная погрешность датчика, выраженная в процентах от нормирующего значения, численно равна основной погрешности, выраженной в процентах от диапазона изменения выходного сигнала датчика с линейной функцией преобразования измеряемой величины.

При поверке датчиков давления с выходным аналоговым сигналом постоянного тока, значения которого контролируют по падению напряжения на эталонном сопротивлении в мВ или В

, где

– предел допускаемой абсолютной погрешности эталонного СИ, контролирующего выходной сигнал датчика по падению напряжения на эталонном сопротивлении, мВ или В;

– предел допускаемой абсолютной погрешности эталонного сопротивления, Ом;

– значение эталонного сопротивления, Ом;

, – соответственно нижнее и верхнее предельные значения напряжений (мВ или В) на эталонном сопротивлении, определяемые по формулам:

.

Расчетные значения выходного сигнала поверяемого датчика для заданного номинального значения входной измеряемой величины определяют по формулам:

1. Для датчиков с линейно возрастающей зависимостью выходного сигнала постоянного тока () от входной измеряемой величины ()

, где

– расчетное значение выходного сигнала постоянного тока (мА);

– номинальное значение входной измеряемой величины;

– нижний предел измерений датчиков.

2. Для датчиков с линейно убывающей зависимостью выходного сигнала постоянного тока от входной измеряемой величины

.

Основную погрешность определяют при значениях измеряемой величины, достаточно равномерно распределенных в диапазоне измерений, в том числе при значениях измеряемой величины, соответствующих нижнему и верхнему предельным значениям выходного сигнала.

Интервал между значениями измеряемой величины не должен превышать: 30% диапазона измерений при = 5 (основной вариант поверки).

Основную погрешность определяют при значении измеряемой величины, полученном при приближении к нему как со стороны меньших значений (при прямом ходе), так и со стороны больших значений (при обратном ходе)⁹.

Основную погрешность в % нормирующего значения при поверке датчиков с выходным аналоговым сигналом постоянного тока вычисляют по формулам:

, , где

– значение выходного сигнала постоянного тока, полученное экспериментально при номинальном значении измеряемой величины, мА;

– значение падения напряжения на эталонном сопротивлении, полученное экспериментально при измерении выходного сигнала и номинальном значении входной измеряемой величины (давления), мВ или В.

Вычисления выполняют с точностью до второго знака после запятой.

Для определения меры рассеяния полученных значений необходимо рассчитать значение вариации. Вариацию выходного сигнала определяют при каждом поверяемом значении измеряемой величины давления, кроме значений, соответствующих нижнему и верхнему пределам измерений, по данным, полученным экспериментально при определении основной погрешности.

Вариацию выходного сигнала в % нормирующего значения при поверке датчиков с выходным аналоговым сигналом постоянного тока вычисляют по формулам:

, , где

, – значения выходного сигнала постоянного тока, полученные экспериментально при одном и том же номинальном значении входной измеряемой величины при прямом и обратном ходе соответственно, мА;

, – значения падения напряжения на эталонном сопротивлении, полученные экспериментально при измерениях выходного сигнала и при одном и том же номинальном значении входной измеряемой величины при прямом и обратном ходе соответственно, мВ, В.

В результате поверки датчик с линейной функцией преобразования признают не годным к эксплуатации, если хотя бы в одной поверяемой точке модуль основной погрешности или значение вариации превышает предел ее допускаемого значения.

Допускается вместо вычислений по экспериментальным данным значений основной погрешности и вариации контролировать их соответствие предельно допускаемым значениям. Вариацию выходного сигнала датчиков не определяют, если предел ее допускаемого значения не превышает 0,5 предела допускаемой основной погрешности.

Таким образом, для автоматизации инженерно-технических расчётов, производимых в ходе поверки датчиков давления необходимо реализовать определённую последовательность действий, которая означена в нормативных документах (методиках поверки).

1. Практическая реализация инженерно-технических расчётов в среде MathCad

Для решения поставленной задачи в MathCad определены следующие переменные (таблица 2):

Таблица 2. Определение используемых в расчётах величин.

Имя	Вид	Определение
k	скалярная	величина класса измерений по ГОСТ, глобальная константа
R	скалярная	эталонное сопротивление (Ом), глобальная константа
	векторная	диапазон значений изменения контролируемой величины, глобальная константа
IO	векторная	идеальные значения показаний прибора (измерение силы тока, мА), глобальная константа
d	скалярная	диапазон измерений выходного сигнала датчика (мА)
osn_pogr	скалярная	основная погрешность прибора
var_dopusk	скалярная	допуск на вариацию замеряемых прибором значений
U_pr	векторная	эмпирические значения напряжения (В), замеряемые при обследовании прибора на прямом ходу
U_obr	векторная	эмпирические значения напряжения (В), замеряемые при обследовании прибора на обратном ходу
I_pr	векторная	расчётные значения силы тока по эмпирическим значениям напряжения (мА) при обследовании прибора на прямом ходу
I_obr	векторная	расчётные значения силы тока по эмпирическим значениям напряжения (мА) при обследовании прибора на обратном ходу
otkl_I_pr	векторная	расчётные значения отклонения силы тока (мА) при обследовании прибора на прямом ходу
otkl_I_obr	векторная	расчётные значения отклонения силы тока (мА) при обследовании прибора на обратном ходу
otkl_I_pr_abs	векторная	абсолютные величины расчётных значений отклонения силы тока (мА) при обследовании прибора на прямом ходу
otkl_I_obr_abs	векторная	абсолютные величины расчётных значений отклонения силы тока (мА) при обследовании прибора на прямом ходу
pogr_I_pr	векторная	значения погрешности измерений силы тока в % нормирующего значения (%) при обследовании прибора на прямом ходу
pogr_I_obr	векторная	значения погрешности измерений силы тока в % нормирующего значения (%) при обследовании прибора на обратном ходу
var_I	векторная	расчётные значения вариации силы тока (мА)
var_I_abs	векторная	абсолютные величины расчётных значений вариации силы тока (мА)
rez_pogr_pr	векторная	показатели надёжности эксплуатации прибора контроля по заданной оценке погрешности при обследовании прибора при прямом ходе
rez_pogr_obr	векторная	показатели надёжности эксплуатации прибора контроля по заданной оценке погрешности при показатели обследовании прибора при обратном ходе
rez_var	векторная	показатели надёжности эксплуатации прибора контроля на основе анализа полученных значений вариации

В соответствии с построенной математической моделью и разработанным алгоритмом определения основной погрешности датчика контроля давления протекания технологического процесса был реализован расчёт. Результаты этого расчёта представлены в протоколе работы среды MathCad.

В данном алгоритме для введения одиночных чисел (например, диапазона измерений выходного сигнала датчика, эталонного сопротивления и др.) использованы скалярные величины, для обработки массивов данных (диапазона значений изменения контролируемой величины, идеальные значения показаний прибора и др.) использованы векторные величины (одномерные массивы).

Порядковые номера элементов массивов (индексы) в данном алгоритме принимают значения от 0 до 4, т.к. все используемые вектора ориентированы на расчёт по пяти значениям контролируемой величины давления¹⁰.

При введении значений исходных данных определены локальные и глобальные переменные. Локальной переменной присваивается начальное значение с помощью оператора :=. С помощью знака ≡ обеспечивается глобальное присваивание. Оно может производиться в любом месте документа. Для вывода результата или для контроля значений переменных используется обычный знак равенства = (если выводится численный результат).

Величины k, R, P, IO для данного прибора и данной методики поверки являются постоянными. Их значения могут быть изменены в связи с изменениями нормативных требований поверки. Поэтому в алгоритме соответствующие величины определены как глобальные переменные.

Значения переменных U_pr и U_obr вариативны и вводятся каждый раз при проведении диагностики работоспособности и адекватности показаний прибора контроля технологического процесса.

Кроме того, следует учитывать, что в алгоритме представленного расчёта элементы исходных массивов данных заносятся в шаблон матрицы. Поэтому переход от символа к символу внутри шаблона необходимо выполнять с помощью клавиши Tab (Табуляция).

При поэлементной обработке элементов массива для указания нижнего индекса используется клавиша [ (квадратная скобка). Перечень используемых в алгоритме действий с векторами представлен в таблице 3.

Таблица 3. Действия с векторами, используемые при расчете.

Операция	Обозначение	Описание
Умножение на скаляр	Az	Умножает каждый элемент А на скаляр z
Деление	A z	Делит каждый элемент массива А на скаляр z
Сложение векторов	A+B	Складывает соответствующие элементы А и В. массивы А и В должны иметь одинаковые размеры
Скалярная сумма	А + z	Добавляет z к каждому элементу А
Векторное вычитание	А–В	Вычитает соответствующие элементы массива А из элементов массива В, массивы А и В должны иметь одинаковые размеры
Скалярное вычитание	А-z	Вычитает z из каждого элемента А
Изменение знака	–А	Умножает все элементы А на –1
Нижний индекс (вектора)	vn	n-й элемент вектора

Для обработки массивов данных в алгоритме использованы встроенные функции Mathcad для действий с массивами.

При проведении расчёта также использованы функции обработки элементов массива:

• max(A) –значения самого большого элемента в массиве А;

• min(A) – вычисление значения самого маленького элемента в массиве А.

При организации расчета для проверки соответствия полученных результатов регламентируемым значениям величин по нормативам в алгоритме организовано ветвление. Оно реализует проверку условия. Условия в MathCAD могут проверять значения как локальных, так и глобальных переменных, а также выражений, содержащих эти переменные. Для проверки условий в программах MathCAD служит оператор if. Вертикальная черта означает, что строки, находящиеся справа от нее, образуют линейную программную последовательность операций. Эта черта является особенностью программ MathCAD¹¹.

В поле ввода введены две первые строки. Сначала представлена строка, которая должна выполняться, если введенное условие истинно. Далее в поле ввода введена строка, которая будет выполняться только в том случае, если не выполнилось условие, заданное в операторе if в первой строке.

По конкретным данным, представленным в протоколе, можно сделать вывод, что диагностируемый прибор контроля параметров технологического процесса работает с отклонениями в показаниях. Этот факт подтверждается значениями переменных rez_pogr_pr, rez_pogr_obr, rez_var.

По введённым в текущую версию расчёта данным измерений представленный на поверку прибор ненадёжен в эксплуатации и подлежит ремонту.

1. Протокол реализации в MathCad алгоритма автоматизации расчёта параметров устройств контроля технологического процесса

Определение основной погрешности датчика контроля давления протекания технологического процесса

Класс измерений по ГОСТ

Эталонное сопротивление (Ом)

Значения контрольной величины

Идеальные значения показаний прибора (измерение силы тока, мА)

Диапазон измерений выходного сигнала датчика (мА)

Основная погрешность

Допуск на вариацию

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ЗАМЕРОВ:

Эмпирические значения напряжения (В)

прямой ход		обратный ход

Расчёт силы тока по эмпирическим значениям напряжения (мА)

прямой ход		обратный ход

РАСЧЁТНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ОТКЛОНЕНИЙ:

Расчёт отклонения силы тока (мА)

прямой ход		обратный ход

Расчёт погрешности в % нормирующего значения (%)

прямой ход		обратный ход

Расчёт вариации (мА)

АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННОГО РЕШЕНИЯ:

Наличие в записи компонентов векторов результата значения 1 (истина) свидетельствует о нарушении требований и ненадёжности дальнейшей эксплуатации прибора контроля. Прибор следует отправить в ремонт.

Отсутствие в записи компонентов векторов результата значения 1 (истина) и наличие только значений 0 свидетельствует о возможности эффективной дальнейшей эксплуатации прибора контроля.

Надёжность эксплуатации прибора контроля по оценке погрешности

прямой ход

обратный ход

Подтверждение надёжности эксплуатации прибора контроля на основе анализа полученных значений вариации

Заключение

Сегодня для обслуживания наукоёмкого высокотехнологичного производства требуются квалифицированные специалисты, умеющие в режиме реального времени разрешать инженерно-технические задачи. Решение этих задач требует от профессионалов эвристичности мышления, оперативности принятия решения, умения использовать для этих целей современные способы и средства.

В качестве инструментов реализации инженерно-технических задач выступают различные программные средства. Крупные промышленные корпорации и холдинги стремятся автоматизировать свою производственную деятельность на базе комплексов, специально разработанных по заказу. Такие комплексы, как правило, охватывают различные направления автоматизации, являются универсальными, требуют тщательной адаптации пользователей к работе с ними и. т. д. В то же время в инженерной практике зачастую возникают такие задачи, которые можно эффективно разрешить и без привлечения масштабных программных комплексов.

Инженерно-технические задачи большей частью решаются с помощью математического аппарата. Автоматизацию математической деятельности на персональном компьютере связывают с системами компьютерной алгебры. Обзор функциональных возможностей представленных на рынке средств позволил утвердиться в выборе универсальной системы компьютерной математики для инженерно-технических расчётов. Mathcad является одной из наиболее популярных систем, т. к. имеет простой интерфейс и входной язык математических символов, а также отличается простотой технологий решения математических задач.

При использовании Mathcad для решения инженерных задач были выявлены некоторые её особенности:

- полнота и одновременно лаконичность изложения компьютерных технологий решения математических задач;

- большое количество примеров;

- практическая адаптивность описанных компьютерных технологий решения математических задач для всех версий программы.

Экспериментальной базой исследования явилось крупнейшее предприятие региона в области нефтехимии ООО «Тобольск – Нефтехим». Инженерно-технический расчёт, представленный в работе, регулярно реализуется специалистами службы контроля и автоматизации данного предприятия. Комплексные программные средства автоматизации контроля за технологическим процессом на предприятии не позволяют автоматизировать расчёты характеристик приборов контроля по нормативным методикам. Поэтому специалисты службы ранее вручную производили многократные рутинные вычисления для определения адекватности и надёжности работы приборов контроля технологического процесса.

С помощью алгоритма, разработанного в системе Mathcad в соответствии с нормативными документами¹², регламентирующими процесс поверки приборов контроля, данный процесс может быть легко реализован многократно, с использованием различных наборов исходных данных. Внедрение такого алгоритма интенсифицирует профессиональную деятельность специалистов службы контроля и автоматизации, повышает производительность и эффективность их труда.

Данный алгоритм не является узко специализированным. В представленной работе рассмотрена автоматизация поверки приборов контроля в случае измерения давления. Аналогичные расчёты могут производиться и при поверке приборов контроля других параметров протекания технологического процесса (например, температуры). В этом случае адаптация алгоритма будет заключаться лишь в замене эталонных и идеальных значений, а также значений нормативов измерений (например, класс точности по ГОСТ). Замена данных величин реализуется в режиме диалога в течение сеанса работы специалиста.

Одним из ограничений, регламентирующих широкое внедрение Mathcad в инженерную практику для реализации расчётов, является проприетарность этого программного средства. В частности, лицензионная стоимость пакета Mathcad Professional Individual составляет 52 300 рублей (май 2012 года). Однако эту проблему можно решить, адаптируя знания, умения и навыки работы с Mathcad к использованию свободно распространяемого аналога данного программного продукта SMath Studio. Эта бесплатная программа предназначена для вычисления математических выражений и построения графиков функций. Работа с интерфейсом программы напоминает работу с обычным листом бумаги, так как все математические выражения в ней записываются не в строчку текстом, а в графическом, удобном для человека, виде. На текущий момент SMath Studio имеет версии для нескольких платформ: КПК, коммуникаторов, смартфонов, персональных компьютеров на базе операционных систем Windows и Linux и логически разделены на две программы: Handheld (карманная) и Desktop (настольная), которые соответствуют типу поддерживаемых платформ. Функциональные возможности SMath Studio аналогичны Mathcad. Отдельным аспектом разработчики SMath Studio отмечают возможность работы с файлами Mathcad¹³.

MathCAD – это система, ориентированная на пользователя, который не обязан знать абсолютно ничего о программировании. Создатели MathCAD изначально поставили перед собой такую задачу, чтобы дать возможность профессионалам – математикам, физикам и инженерам самостоятельно проводить сложные расчеты, не обращаясь за помощью к программистам. И эту задачу они блестяще реализовали.

Представленным в работе расчётом может воспользоваться любой инженер, в практике профессиональной деятельности которого возникают аналогичные технические задачи.

Список использованных источников

	Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров. – М.: Наука, 2008. – 976 с.
	ГОСТ 22520-85. Датчики давления, разрежения и разности давлений с электрическими аналоговыми выходными сигналами ГСП. Общие технические условия. – М.: СтандартИнформ, 2007. – 24 с.
	Гурский Д. А. Вычисления в MathCAD. – Минск: Новое знание, 2008. – 814 с.
	Датчик давления «Метран-150». Руководство по эксплуатации СПГК.5225.000.00 РЭ (версия 2.1). – Челябинск: ПГ «Метран», 2009. – 127 с.
	Датчики давления «Метран-150». Методика поверки МИ 4212-012-2006. – Челябинск: ПГ «Метран», 2010. – 22 с.
	Денисенко В.В. Компьютерное управление технологическим процессом, экспериментом, оборудованием. – М.: Радио и связь, 2009. – 608 с.
	Дьяконов В. П. Компьютерная математика. Теория и практика. – М.: Нолидж, 2007. – 1295 с.
	Дюк В. Обработка данных на ПК в примерах. – СПб.: Питер. 2007. – 240 с.
	Ивановский Р. И. Компьютерные технологии в науке. Практика применения систем MathCAD: Учеб. пособие. — СПб.: Изд во СПбГТУ, 2007. – 223 с.
	Кирьянов Д. В. Mathcad 12. — СПб.: БХВ Петербург, 2005. – 325 с.
	Костылев А. А., Миляев П. В., Дорский Ю. Д. Статистическая обработка результатов экспериментов на ПК. – М.: Энергоатомиздат, 2011. – 304 с.
	Кренкель Т. Э., Коган А. Г., Тараторин А. М. Персональные компьютеры в инженерной практике. – М.: Радио и связь, 2009. – 336 с.
	Кудрявцев Е. М. Mathcad Pro. – М.: ДМК Пресс, 2009. – 576 с.
	Лаборатория компьютерного моделирования ГУАП. Разработка теоретических основ технической диагностики динамических систем, создание новых методов контроля и диагностики, синтез и анализ систем тестового и функционального диагностирования для разнообразных измерительных и управляющих комплексов и устройств. http://www.k44.artspb.com/lab2209/ – (дата обращения 11.03.2012 г.)
	Львовский Е. Н. Статистические методы построения эмпирических формул. – М.: Высшая школа. 2008. – 239 с.
	Морозов Б. И., Рыкин О. Р. Информационные технологии. Исследовательские расчеты в среде Mathcad: Учеб. пособие. — СПб.: Изд во СПбГПУ, 2008. – 155 с.
	Новицкий П. В., Зограф И. А. Оценка погрешностей результатов измерений. – М.: Энергоатомиздат, 2010. – 214 с.
	Официальный сайт компании PTC производителя математического пакета Mathcad http://www.pts-russia.com – (дата обращения 11.05.2012 г.)
	Официальный сайт промышленной группы «Метран» компании Emerson Process Management // www.metran.ru – (дата обращения 03.03.2012 г.)
	Официальный сайт Федерального государственного унитарного предприятия "Особое конструкторское бюро "Маяк" // http://www.okbmayak.perm.ru – (дата обращения 01.03.2012 г.)
	Панферов А. И., Лопарев А. В., Пономарев В. К. Применение Mathcad в инженерных расчетах: Учеб. пособие . – СПб.: СПбГУАП, 2006. – 88 с.
	Плис А. И., Сливина Н. А. MathCAD: математический практикум для экономистов и инженеров: Учеб. пособие. – М.: Финансы и статистика, 2009. – 656 с.
	Половко А. М., Ганичев И.В. Mathcad для студентов. – СПб.: БХВ Петербург, 2007. – 336 с.
	Саут Х. М., Долсек К. Э. Обработка сигналов и решение инженерных задач на ПК. – М.: «Мир», 2006. – 163 с.
	Сигорский В. П. Математический аппарат инженера. – Киев: Техника, 2005. 328 с.
	Трохименко Я. К., Любич Ф. Д. Инженерные расчёты на ПК. – Киев: Техника, 2005. 328 с.
	Херхагер М., Партолль Х. MathCAD. Полное руководство. – Киев: Ирина, 2000. – 416 с.
	Цветков А.Н. Прикладные задачи на ПК. – М.: Финансы и статистика, 2010. – 128 с.

1 Дьяконов В. П. Компьютерная математика. Теория и практика. – М.: Нолидж, 2007. – 1295 с.

2 Дьяконов В. П. Mathcad: учебный курс. – СПб.: Питер, 2007. – 592 с.

3 Денисенко В.В. Компьютерное управление технологическим процессом, экспериментом, оборудованием. – М.: Радио и связь, 2009. – 608 с.

4 Датчик давления «Метран-150». Руководство по эксплуатации СПГК.5225.000.00 РЭ (версия 2.1). – Челябинск: ПГ «Метран», 2009. – 127 с.

5 ГОСТ 22520-85. Датчики давления, разрежения и разности давлений с электрическими аналоговыми выходными сигналами ГСП. Общие технические условия. – М.: СтандартИнформ, 2007. – 24 с.

6 Официальный сайт промышленной группы «Метран» компании Emerson Process Management // www.metran.ru

7 Лаборатория компьютерного моделирования ГУАП. Разработка теоретических основ технической диагностики динамических систем, создание новых методов контроля и диагностики, синтез и анализ систем тестового и функционального диагностирования для разнообразных измерительных и управляющих комплексов и устройств. http://www.k44.artspb.com/lab2209/

8 Согласно МИ 187-86 «ГСИ. Критерии достоверности и параметры методик поверки» и МИ 188-86 «ГСИ. Установление значений параметров методик поверки».

9 Датчики давления «Метран-150». Методика поверки МИ 4212-012-2006. – Челябинск: ПГ «Метран», 2010. – 22 с.

10 Панферов А. И., Лопарев А. В., Пономарев В. К. Применение Mathcad в инженерных расчетах: Учеб. пособие . – СПб.: СПбГУАП, 2006. – 88 с.

11 Морозов Б. И., Рыкин О. Р. Информационные технологии. Исследовательские расчеты в среде Mathcad: Учеб. пособие. — СПб.: Изд во СПбГПУ, 2008. – 155 с.

12 Официальный сайт промышленной группы «Метран» компании Emerson Process Management // www.metran.ru

13 www.ru.wikipedia.org – электронная энциклопедия

www.mathhelpplanet.com – некоммерческий математический форум

Код для цитирования: Скопировать