Kontrola varnostnih ventilov

Drago Wechtersbach, lj@weko.si
Emil Sovdat, eso.sovdat@siol.si

Eden od zelo pomembnih sestavnih delov pri rezervoarjih in tlačnih posodah za utekočinjen naftni plin je varnostni ventil. Ta se mora zanesljivo odpreti pri nazivnem tlaku, vendar se zaradi različnih vzrokov ta vrednost lahko spremeni. Zato jih je potrebno redno kontrolirati. Izkaže se, da je ob kontroli, točka odpiranja ventila odvisna tudi od hitrosti naraščanja tlaka. Zato smo se odočili izdelati napravo, ki omogoča čimbolj enake pogoje za meritev odpiranja ventila, to je, da kontroliramo hitrost naraščanja tlaka. Ob tem smo želeli avtomatizirati proces meritve in ga s tem pohitriti, hkrati pa odpraviti subjektivne napake meritve same (ročna nastavitev naraščanja tlaka).

Uvod

Rezervoar za utekočinjen naftni plin (plinohram) ima, kot primarno zaščito pred previsokim pritiskom, varnosti ventil, ki ga varuje pred lomom in možno eksplozijo. S standardom je predpisano, da je za varnostni ventil potrebna letna redna kontrola. Ta se izvrši tako, da se testirani ventil priklopi na merilno mesto in povečuje tlak s kontroliranim naraščanjem, dokler se ventil ne odpre. Ta točka je odvisna od tlaka, za katerega je ventil zgrajen, s časom se ta vrednost spreminja. Najpogosteje je vzrok v zaležanosti, zapikanosti tesnila v ventilu, lahko tudi zaradi mehanskih sprememb vzmeti v ventilu.

Slika 1: Grafi odpiranja istega ventila pri različni hitrosti naraščanja tlaka. Meritve so bile opravljene na drugi merilni napravi, pred izdelavo te, opisane v članku.

V skrajnem primeru se lahko zgodi, da program za obdelavo merjenih rezultatov ventilu izda pozitivno poročilo o kontroli, čeprav ob drugačnih merilnih pogojih ventil ne bi ustrezal tipično dovoljenemu 5% odstopanju od nazivne vrednosti.

Naš cilj je izdelati merilno mesto, ki bo omogočalo zlasti:

• nastavitev in samodejno regulacijo hitrosti naraščanja tlaka,
• detekcijo začetne točke odpiranja ventila,
• avtomatizacijo odpiranja vhodnega tlaka in merjenje tlaka zaprtega ventila (tesnenje ventila),
• sprostitev sekundarnega tlaka v sistemu,
• sprostitev primarnega tlaka v celotnem merilnem sistemu.

Aparaturna oprema

Za izvajanje merilno krmilnega procesa smo izbrali Raspberry Pi 4, kot osnovno procesorsko ploščo. Nanj smo priključili ADC1263 analogni konverter z visoko resolucijo pretvorbe in dobrimi sposobnostmi odpravljanja raznih motenj. Poleg tega samostojno opravlja pretvorbo z nastavljivo časovno periodo, kar v povezavi s primernim gonilnikom premosti težavo Linux OS, ki ni pravi OS v realnem času in ne generira zanesljivih časovnih period v milisekundnem območju.

Na osnovno procesorsko ploščo smo priključili modul z dvema relejnima izhodoma za krmiljenje elektromehanskih zračnih ventilov za odpiranje in zapiranje delovnih tlakov. Ta dva odpirata ventile: prvi dotok zunanjega vira zraka, drugi omogoča praznitev sistema po končani meritvi.

Še dva digitalna izhoda nadzirata regulator zračne dušilke za pretok zraka. Ta prestavlja osrednji del osnovne funkcije naprave, ki skrbi za enakomerno naraščanje tlaka v fazi meritve. Na os zračne dušilke smo priključili 12Vdc motor z reduktorjem, ki s počasnimi obrati poskrbi za natančno regulacijo uravnavanja naraščanja tlaka v merilnem sistemu. Za to krmilje poskrbita digitalna izhoda iz osnovne procesorske plošče, en dušilko odpira in s tem povečuje pretok zraka, drugi z vrtenjem motorja v obratno smer dušilko zapira. Za dosego zanesljivih rezultatov, je uporabljena PID regulacija.

Naprava je napajana z 12V akumulatorjem, ki daje dovolj energije za neprekinjeno delovanje v delovnem dnevu. Vse skupaj je vgrajeno v prenosni kovček, kar omogoča terensko opravljanje meritev.

Slika 2: Merilno mesto z vsemi sestavnimi deli se nahaja v prenosnem kovčku.

Programska oprema

Uporabili smo Debian operacijski sistem z LXDE namizjem.

Programska oprema merilne naprave je sestavljena iz dveh delov: procesnega dela in grafičnega uporabniškega vmesnika. Komunikacija med njima poteka z uporabo WebSocket spletnega komunikacijskega protokola. Ker se tako procesni del kot strežniška aplikacija in brkljalnik kot uporabniški vmesnik nahajata na istem naslovu, je komunikacija med njima izredno hitra in uporabniku neopazna.

Glavna naloga procesnega dela je izvajanje meritve tlaka, ki poteka na analogno digitalnem konverterju in glede na hitrost naraščanja tlaka odpira oziroma zapira regulator tlaka. Uporabljena je PID metoda regulacije. Vrednost parametrov PID regulacije je zlasti odvisna od lastnosti uporabljenega regulatorja pretoka zraka (zračna dušilka, volumen pretoka, hitrost odpiranja / zapiranja). Tu je potrebno nekaj poizkušanja, ko pa so parametri usklajeni z izbrano zračno dušilko, deluje dovolj hitro in stabilno.

Glede na fazo merilnega postopka procesni del odpira ventil dotoka zunanjega vira tlaka in ventil za praznenje sistema.

Od spletnega vmesnika sprejema ukaze (uporabljene tipke na dotik) in mu vrača merilne rezultate ter stanje merilnega postopka, vse z uporabo WebSocketa protokola.

Rezultati veljavne meritve se shranjujejo na lokalni disk. Za prenos teh datotek na drug računalnik je uporabljena USB povezava. V tem primeru se merilna naprava na drugem računalniku pojavi kot zunanji disk, z datotekami z vsebino vseh shranjenih meritev. Posebna aplikacija na drugem računalniku poskrbi za prenos teh datotek in nadaljnjo obdelavo merjenih podatkov ter izdelava testnega poročila.

Grafični vmesnik je namenjen interakciji z uporabnikom, zaznava pritisk tipk in prikazuje merilne rezultate. Za njegovo izvedbo je uporabljen običajen spletni brkljalnik v Firefox kiosk načinu. V kiosk načinu brkljalnik uporabniku ne omogoča izhoda iz celostranskega prikaza spletne strani, uporabnik torej ne more zapreti, pomanjšati brkljalnika oziroma na kakršenkoli nači dostopati do namizja ali ukazne vrstice operacijskega sistema. Kiosk način danes podpirajo vsi bolj razširjeni brkljalniki. Za izgradnjo vmesnika so uporabljeni standardni spletni jeziki HTML, CSS in JavaScript. Ta so razširjeni jezki, na razpolago je množica odprtokodnih orodij in knjižnic in tako omogočajo hiter razvoj aplikacije. Prijetna stranska lastnost spletne aplikacije je možnost oddaljenega testiranja in razhroščevanja. Sama naprava se nahaja na oddaljeni lokaciji testiranega ventila, razvijalec sam pa na lokaciji, kjer ima udoben dostop do razvojnih orodij.

Postopek meritve

1. Pred izvajanjem serije meritev priklopimo zunanji izvor visokega tlaka.
2. V adapter ventila priklopimo preizkušani varnostni ventil.
3. S pomočjo tipk na zaslonu nastavimo željeno vrednost naraščanja tlaka in predpostavljeni tlak odpiranja ventila.
4. Ob pritisku tipke START MERITVE, se odpre ventil V1 in tlak na preizkušanem ventilu prične naraščati.
5. Aplikacija meri tlak na senzorju pritiska in na podlagi tega s pomočjo PID regulacije uravnava pretok zraka preko dušilke D2 tako, da naraščanje tlaka ustreza nastavljeni vrednosti.
6. V primeru, da regulacija ob tlaku 1 bar manjšem od predpostavljenega odpiranja, še ni uspešna (zračna dušilka je bila ob pričetku preveč ali premalo odprta), se zapre V1 in odpre V2 in izprazni tlak v napravi. Meritev se ponovi s točko 4.
7. Aplikacija zazna točko odpiranja preizkušanega ventila in po določenem času od tega trenutka zapre ventil V1. Prične se faza testiranja tesnosti preizkušanega ventila.
8. Celotna preizkusna meritev traja kakih 30 sekund. Takrat se odpre ventil V2 in izprazni tlak v napravi.
9. Tipka POTRDI MERITEV shrani meritev na disk, tipka ZAVRZI MERITEV jo zavrže. V obeh primerih se lahko prične nova meritev s točko 2, 3 ali 4.
10. Za prenos rezultatov na zunanji računalnik se napravi povežeta z USB kablom. Aplikacija na zunanjem računalniku odloči o izzidu testa in izdela testno poročilo.
    
    

Slika 3: Posnetek zaslona, modra premica določa nastavljeno hitrost naraščanja tlaka, rdeča krivulja prikazuje izmerjen tlak

Sklep

Razvili smo prenosno merilno mesto za kontrolo plinskih varnostnih ventilov. Nastavljiva vrednost hitrosti naraščanja tlaka omogoča detekcijo slabih varnostnih ventilov, ki jih enostavno testiranje ne zazna. Za to smo uporabili zračno dušilko s PID regulacijo. S pravilno izbiro dušilke in PID parametrov smo uspeli doseči pravilno naraščanje tlaka. Z avtomatskim nadzorom dotoka zraka in njegovim izpustom po opravljeni meritvi, smo skrajšali trajanje posamezne meritve. V prihodnosti bomo omogočili podrobnejši pregled dogajanja ob odpiranju ventila.

Dodatne informacije:

1. Firefox kiosk način – https://support.mozilla.org/en-US/kb/firefox-enterprise-kiosk-mode

2. PID parametri – http://pages.mtu.edu/~tbco/cm416/tuning_methods.pdf