Универсальный стенд для циклических испытания

Дополнительные требования:

1. При циклических испытаниях давление между циклами должно сбрасываться не до 0, а до настраиваемой средствами стенда величины, по умолчанию 10 бар.
2. Скорость при плавном наборе должна воспроизводиться на всём участке от 15 бар до давления испытаний без рывков, для любого объёма из указанного диапазона.
3. Отдельная возможность проводить пневмоиспытания, фактически только запись протокола в течение заданного времени. Давление воздуха 8..12 бар в изделии при этом создаются средствами заказчика.
4. Стенд должен быть отделён от средств управления, имея в виду возможность разместить стенд и средства управления в разных помещениях, или даже разных географических точках.
5. Стенд должен осуществлять предварительное наполнение испытываемых изделий.
6. Стенд должен быть автономен от ПО: функции стенда должны полностью дублироваться с механических панелей (манометры, регуляторы, вентили, краны и пр.).
7. Стенд должен быть полноценно обслуживаемым, включать монитор ресурсов и программу периодического обслуживания.
8. Стенд и ПО должны отвечать всем разумным требованиям безопасности.

Весь цикл испытаний происходит с минимальным вовлечением оператора:

1. Выбирается тип испытаний: циклические, статические, испытания с плавным набором или пневмоиспытания.
2. Задаются параметры испытаний или выбирается готовый рецепт: рабочее давление и время выдержки для всех типов испытаний, количество циклов для циклических испытаний, скорость набора для испытаний с плавным набором, опционально задаётся код изделия для простоты идентификации в списке протоколов и нажимается кнопка «начать испытания».
3. По истечении таймера выдержки отправляется сигнал оператору о завершении испытаний. Оператор нажимает кнопку «скачать последний [протокол]» и переходит в менеджер протоколов.
4. В менеджере протоколов оператор нажимает кнопку «загрузить последний» (которая загружает ВСЕ протоколы с писок протоколов и выбирает последний из них), затем, если необходимо, выбирает нужный протокол из списка, изменяет поля «Раб.жидкость», «Испытал», «Заказ №» и «Заметки», если необходимо (все остальные поля изменяются автоматически), и нажимает «Сохранить PDF», получая готовый к печати протокол испытаний в PDF-формате.

Реализация дистанционного управления

Отделение средств управления от стенда реализовано с помощью двух распределительных шкафов: один шкаф в составе стенда с помощью набора клеммных колодок под DIN-рейку собирает проводку со всех средств управления в единый жгут, который затем, с помощью стального гофрированного канала длиной 15 метров, подключается к основному шкафу, содержащему все средства управления: модули ввода-вывода, программируемое реле, сенсорный панельный контроллер и пр.

Как описано выше, для пользовательского ПК обеспечен полный доступ ПО контроллера с помощью USB-кабеля. Изначально планировалось обеспечить аналогичный адресный доступ к контроллеру с любого устройства, подключенного к интернету, но в итоге оказалась достаточной возможность управления ПО с помощью удалённого доступа к пользовательскому ПК (AnyDesk, TeamViewer и подобные)

Реализация мер безопасности

Механические меры безопасности:

1. Необходимое количество предохранительных клапанов достаточного Dу для отведения высокого давления от линий низкого давления в случае выхода из строя оборудования в составе стенда (например, потери герметичности отсечных вентилей).
2. Меры для исключения аварий при сбросе большого давления из больших изделий (например, 500 бар из изделия 1м3): при таких условиях сопротивление длинной сливной линии может оказаться достаточным, чтобы при резком сбросе значительное давление успело создаться на непредназначенных для этого компонентах.
3. Выход из строя ЛЮБОГО механического компонента системы, включая вентили, краны, редукторы и насосы, не приведёт к аварии.
4. Механическая кнопка аварийной остановки КБ1 сбрасывает всё давление со стенда (жидкости и воздуха) и из испытываемого изделия.

Меры безопасности, реализованные средствами ПО и электрики:

5. Система спроектирована так, что в режиме ожидания никакое из средств автоматизированного управления не находится под напряжением, выход из строя любого из электроуправляемых компонентов не приведёт к аварийному состоянию.
6. Основной шкаф управления состоит из взаимно-контролируемых контроллера СПК110, программируемого реле ПР200 и программируемых модулей ввода-вывода. Потеря связи контроллера с модулями вывода переводит их выходные сигналы в аварийное состояние, соответствующее гарантированно безопасной конфигурации. Потеря связи контроллера с реле ПР200 также переводит установку в безопасное состояние. Функция аварийного состояния модулей ввода-вывода реализовано производителем модулей, функция аварийного состояния ПР200 реализована мной.
7. Аварийное состояние. Средствами ПО реализована процедура аварийной остановки работы стенда, которая заключается в полном сбросе давления со стенда, корректному завершению всех процедур ПО, обнулению всех задействованных переменных, а также созданию заметки в журнале событий о причине перехода стенда в аварийное состояние. В ПО существует 9 различных сценариев (не причин, а именно видов причин) перехода в аварийное состояние.
8. Универсальная защита по превышению давления с корректировкой на пики: если давление превышает давление испытаний на 10% более одной секунды, стенд переходит в аварийное состояние. 25% — мгновенный переход в аварийное состояние.
9. Защита по превышению давления при выдержке: если стенд превышает давление испытаний на 3%, включаются длительные алгоритмы корректировки управления. Если стенд превышает давление испытаний на допустимые 5%, включаются мгновенные меры корректировки давления. Если стенд превышает давление испытаний на 5% второй раз, включается мгновенный переход в аварийное состояние. Обращаю внимание: все сценарии создания стендом недопустимого давления исключены, но 1. Существуют сценарии, при которых давление может вырасти НЕ средствами стенда, и 2. Стенд постоянно модернизируется для расширения спектра решаемых задач, что не гарантирует своевременное исключение таких сценариев при дальнейшей разработке.
10. Блокировщик и система вывода ошибок. Набор алгоритмов, защищающих стенд от ошибок оператора и специалиста настройки, а также эксплуатации стенда при исчерпанном ресурсе какого-либо из компонентов, см. монитор ресурсов. При возникновении сценария блокировки, на всех рабочих экранах ПО выводится информация об ошибке, а также соответствующая заметка вносится в журнал событий. Всего в программе 34 сценария ошибок, включая ошибки в настройках.
11. Механизм обработки исключений контроллера. Поскольку стенд является модернизируемым, спектр решаемых стендом задач постоянно увеличивается, неизбежно возникновение непредвиденных ошибок ПО, часть из которых может привести к остановке работы контроллера. В этом случае средства управления могут оказаться в произвольном, в т.ч. аварийном состоянии. Для предотвращения срабатывания аварийного сценария даже п.2 данного списка введены меры, которые вместо выключения контроллера прерывают исполнение программы аварийной остановкой с корректным завершением всех процедур, см. п.3.
12. Один из вводов модуля дискретных вводов, один вывод программируемого реле, а также одно подключение по протоколу RS-485 зарезервированы для подключения к сети безопасности заказчика. Т.о. стенд может отправлять в систему сигнал об аварии, подключать из системы сигнал об аварии для перехода в аварийное состояние, а также получать дополнительные инструкции извне.

Реализация дистанционного управления
Отделение средств управления от стенда реализовано с помощью двух распределительных шкафов: один шкаф в составе стенда с помощью набора клеммных колодок под DIN-рейку собирает проводку со всех средств управления в единый жгут, который затем, с помощью стального гофрированного канала длиной 15 метров, подключается к основному шкафу, содержащему все средства управления: модули ввода-вывода, программируемое реле, сенсорный панельный контроллер и пр.
Как описано выше, для пользовательского ПК обеспечен полный доступ ПО контроллера с помощью USB-кабеля. Изначально планировалось обеспечить аналогичный адресный доступ к контроллеру с любого устройства, подключенного к интернету, но в итоге оказалась достаточной возможность управления ПО с помощью удалённого доступа к пользовательскому ПК (AnyDesk, TeamViewer и подобные)
Реализация мер безопасности
Механические меры безопасности:
1. Необходимое количество предохранительных клапанов достаточного Dу для отведения высокого давления от линий низкого давления в случае выхода из строя оборудования в составе стенда (например, потери герметичности отсечных вентилей).
2. Меры для исключения аварий при сбросе большого давления из больших изделий (например, 500 бар из изделия 1м3): при таких условиях сопротивление длинной сливной линии может оказаться достаточным, чтобы при резком сбросе значительное давление успело создаться на непредназначенных для этого компонентах.
3. Выход из строя ЛЮБОГО механического компонента системы, включая вентили, краны, редукторы и насосы, не приведёт к аварии.
4. Механическая кнопка аварийной остановки КБ1 сбрасывает всё давление со стенда (жидкости и воздуха) и из испытываемого изделия.
Меры безопасности, реализованные средствами ПО и электрики:
5. Система спроектирована так, что в режиме ожидания никакое из средств автоматизированного управления не находится под напряжением, выход из строя любого из электроуправляемых компонентов не приведёт к аварийному состоянию.
6. Основной шкаф управления состоит из взаимно-контролируемых контроллера СПК110, программируемого реле ПР200 и программируемых модулей ввода-вывода. Потеря связи контроллера с модулями вывода переводит их выходные сигналы в аварийное состояние, соответствующее гарантированно безопасной конфигурации. Потеря связи контроллера с реле ПР200 также переводит установку в безопасное состояние. Функция аварийного состояния модулей ввода-вывода реализовано производителем модулей, функция аварийного состояния ПР200 реализована мной.
7. Аварийное состояние. Средствами ПО реализована процедура аварийной остановки работы стенда, которая заключается в полном сбросе давления со стенда, корректному завершению всех процедур ПО, обнулению всех задействованных переменных, а также созданию заметки в журнале событий о причине перехода стенда в аварийное состояние. В ПО существует 9 различных сценариев (не причин, а именно видов причин) перехода в аварийное состояние.
8. Универсальная защита по превышению давления с корректировкой на пики: если давление превышает давление испытаний на 10% более одной секунды, стенд переходит в аварийное состояние. 25% — мгновенный переход в аварийное состояние.
9. Защита по превышению давления при выдержке: если стенд превышает давление испытаний на 3%, включаются длительные алгоритмы корректировки управления. Если стенд превышает давление испытаний на допустимые 5%, включаются мгновенные меры корректировки давления. Если стенд превышает давление испытаний на 5% второй раз, включается мгновенный переход в аварийное состояние. Обращаю внимание: все сценарии создания стендом недопустимого давления исключены, но 1. Существуют сценарии, при которых давление может вырасти НЕ средствами стенда, и 2. Стенд постоянно модернизируется для расширения спектра решаемых задач, что не гарантирует своевременное исключение таких сценариев при дальнейшей разработке.
10. Блокировщик и система вывода ошибок. Набор алгоритмов, защищающих стенд от ошибок оператора и специалиста настройки, а также эксплуатации стенда при исчерпанном ресурсе какого-либо из компонентов, см. монитор ресурсов. При возникновении сценария блокировки, на всех рабочих экранах ПО выводится информация об ошибке, а также соответствующая заметка вносится в журнал событий. Всего в программе 34 сценария ошибок, включая ошибки в настройках.
11. Механизм обработки исключений контроллера. Поскольку стенд является модернизируемым, спектр решаемых стендом задач постоянно увеличивается, неизбежно возникновение непредвиденных ошибок ПО, часть из которых может привести к остановке работы контроллера. В этом случае средства управления могут оказаться в произвольном, в т.ч. аварийном состоянии. Для предотвращения срабатывания аварийного сценария даже п.2 данного списка введены меры, которые вместо выключения контроллера прерывают исполнение программы аварийной остановкой с корректным завершением всех процедур, см. п.3.
12. Один из вводов модуля дискретных вводов, один вывод программируемого реле, а также одно подключение по протоколу RS-485 зарезервированы для подключения к сети безопасности заказчика. Т.о. стенд может отправлять в систему сигнал об аварии, подключать из системы сигнал об аварии для перехода в аварийное состояние, а также получать дополнительные инструкции извне.
Реализация монитора ресурсов и мер обслуживания
В руководстве по эксплуатации на стенд подробно расписаны процедуры диагностики и исправления неисправностей, процедуры ежедневного, еженедельного, полу- и двухгодичного обслуживания.
Также был разработан инструмент непрерывного отслеживания выработки основными нормально-изнашиваемыми компонентами стенда своего ресурса:

Счётчики переключения игольчатых вентилей ведёт соответствующий подсчёт количества переключений для каждого из них (именно физического, а не прогнозируемого). Аналогично, счётчик времени нахождения распределителей ЭР под напряжением непрерывно наращивает время эксплуатации.

Для всех остальных элементов средствами ПО разработана более сложная методика определения их износа, которая учитывает режимы работы, не приводящие к износу.

Примечание: для насосов возможен более простой и правильный способ определения износа с помощью счётчика циклов, а не времени циклирования, но эта надстройка не попала ни в одну из прошедших модернизаций.

При выработке 95% ресурса в любой из строк, появляется уведомление о скором обслуживании. При выработке 100% ресурса установка блокируется:

Данные о локальном износе хранятся в оперативной памяти контроллера, данные о полном износе хранятся во flash-памяти контроллера, данные о локальном износе добавляются к данным о полном износе в процедуре периодического самообслуживания стенда.

Реализация механического дублирования и ручного дублирования

На фотографии стенда видно, что все автоматизируемые средства управления продублированы ручными. Датчики продублированы манометрами, распределители с э-м управлением продублированы рычажными, регулятор давления продублирован редуктором.

Работа со стендом возможна без ПО. При этом легко воспроизводятся статические испытания. Циклические испытания возможны, но с рядом ограничений и при непрерывном участии оператора: либо каждый цикл сопровождается четырьмя переключениями (открыть насос, закрыть насос, открыть сброс, закрыть сброс, что можно сделать за секунду) ценой низкой точности задания и повышенного износа насосов в случае больших изделий, либо плавное и аккуратное задание каждого цикла. Испытания с плавным набором возможны с помощью плавного поворота ручки регулятора, но скорость такого набора будет весьма приблизительной, настолько, насколько оператор сможет сопоставлять скорость поворота ручки с прошедшим временем.

Процедура перевода стенда из автоматизированного режима в механический сопровождается подробной инструкцией, т.к. нет возможности средствами ПО определить состояние механических средств управления. Процедура блокирует попытки перехода при несоблюдении условий (наличие давления в системе, установка не в режиме ожидания и пр.).

Прочие особенности ПО

В процессе разработки ПО помимо описанных выше и очевидных решались следующие задачи:

1. Компенсация низкой повторяемости давления насосом. При одном и том же сигнале управления насос может создать давление, в отдельных случаях, с погрешностью более 10%. ПО содержит меры, сокращающие погрешность в этих сценариях до менее 1% ценой увеличения длительности работы.
2. Компенсация нелинейности характеристики насоса. Осреднённая по множеству измерений характеристика насоса не является линейной, т.е. заявленное производителем свойство U=kP (где U – сигнал управления, k – коэффициент мультипликации, P – равновесное выходное давление), в действительности, выполняется лишь примерно.
3. Необходимость поддержания рекомендуемой скорости набора давления при условии существенно различных объёмов изделия и отсутствия счётчика циклов.
4. Работа в диапазоне нестабильной работы.
5. Необходимость идентификации выхода из строя компонентов.
6. Автоматическая корректировка скорости набора при больших объёмах.
7. Взаимное исключение линий сброса.
8. Компенсация погрешности мультипликатора.
9. Идентификация ошибок сброса давления.
10. Сращивание работы насосов.
11. Инструментарий для сложных ошибок.
12. Журнал событий.
13. Отображение трендов давления.
14. Протоколирование испытаний.
15. Самообслуживание стенда.
16. Симулятор испытаний.

Разработанные меры отладки

Весь отладочный инструментарий включает:

1. Механизм создания, хранения и выгрузки отладочных протоколов.
2. Механизм визуализации (графики, таблицы).
3. Журнал событий.
4. Симулятор.

Все разработанные меры отладки на сегодняшний день позволили идентифицировать и устранить 9 плохо воспроизводимых ошибок, критичных для работы стенда.

Без этих инструментов идентификация некоторых ошибок заняла бы неограниченное время физического присутствия на рабочем месте оператора.

История прошлых и будущих модернизаций

В течение трёх лет эксплуатации стенда возникали задачи, связанные с расширением функционала и устранением ошибок.

1. Замена насоса второй ступени.
2. Изменение линии сброса.
3. Плавный набор.
4. Инструменты отладки.
5. Расширение диапазона.
6. Работа с большими объёмами.
7. Пневмоиспытания.
8. Защита от скачков напряжения.
9. Оптимизация ПО.
10. Изменение конфигурации распределителей.
11. Монитор ресурсов.
12. Полки и ЗИП.
13. Устранение ступени 0..15 бар.

Дополнительно:

14. Подключение к системе автоматизации установки на 1000 бар.
15. Проект автоматизированного распределительного узла.

• полноценная автоматизация мультипликаторов практически не реализована на рынке
• объём кода — более 140 страниц
• документация — более 250 страниц
• стенд проходит аттестацию