Автоматизация водогрейного котла ТТ 100 с разработкой САУ температурой воды на выходе котла

Задачи системы управления.Перед автоматизированной системой управления ставятся следующие задачи:автоматическое поддержание заданных параметров (температура, расход, давление);измерение, контроль и регистрация параметров, диагностика; системы управления; архивирование информации;просмотр архивной информации за указанный промежуток; времени; печать рапортов и отчетов.Более чем когда-либо раннее, современной промышленности и энергетике нужны гибкие и простые в эксплуатации, надежные и высокоэффективные системы автоматизации.Повышение эффективности производства и качества выпускаемой продукции требует совершенствования управления предприятием. Современное промышленное производство характеризуется сложностью технологических процессов. Управление таким производством невозможно без их комплексной автоматизации. Это объясняет необходимость и эффективность применения средств информационной измерительной техники. Система автоматического управления принципиально может быть реализована на базе КТС различных фирм. Наиболее известными являются: система управления Damatic (Финляндия), ПЛК на базе программируемых контроллеров семейства MELSEC FX фирмы Mitsubishi Electric (Япония), программируемыеконтроллеры на базе IBM PC-совместимых компьютеров фирмы  Octagon Systems (США), система управления фирмы «YOKAGAWA» (Япония), а также УВК на базе ПЛК фирмы «OMRON» (Япония), контроллеров фирмы Siemens.ПЛК на базе программируемых контроллеров фирмы Siemens.ПЛК фирмы Siemens модели Simatic S7-1500 построен по принципу распределенной двухуровневой иерархической системы, в составе которой выделяются:нижний (технологический) уровень;верхний (операторский) уровень АСУ.Модульное построение АСУ позволяет наращивать количество локальных комплексов управления технологического уровня при реконструкции существующей автоматики или при вводе в эксплуатацию новых единиц основного технологического оборудования.Данная система реализует выполнение следующих функций:собирает и обрабатывает измерительную информацию, получаемую от контролируемого процесса;собирает и обрабатывает данные о состоянии исполнительных механизмов; наблюдает и управляет процессом;управляет как отдельными двигателями, так и группами двигателей и клапанов, обеспечивая необходимые блокировки;логические операции;последовательное управление;накапливает статистические данные и представляет их как в электронном виде, так и в виде отчетов на основе бумажного носителя;аварийная обработка данных.ПЛК на базе программируемых контроллеров семейства MELSEC FX фирмы Mitsubishi ElectricFX3G - компактный расширяемый контроллер для задач автоматизации малой и средней сложности. Основные характеристики:Время выполнения одной бинарной инструкции - 210 нс.Объем памяти программы - 32 000 шагов.Адресное пространство локального ввода/вывода: 128 точек.Адресное пространство удаленного ввода/вывода: 128 точек.Функции встроенных входных каналов: дискретный ввод, счетный ввод (6 счетчиков).Типы встроенных выходных каналов: дискретные транзисторные или релейные.Дополнительные модули: дискретный ввод/вывод, аналоговыйI/O, датчики температуры, модули связи.Поддерживаемые полевые шины: CC-Link; Profibus DP (Slave), Modbus RTU.Поддерживаемые шины управления: Ethernet (MC Protocol).Поддерживаемые последовательные интерфейсы: RS232, RS422, RS485.Напряжение питания =24 В или ~220 В.Поддерживаемые среды разработки: GX Developer, GX IEC Developer, GX Works 2.В данном случае предпочтительным является использование техники фирмы «Siemens». Во-первых, продукция Siemens не уступает по своим техническим показателям, а по надежности опережает аналоги различных фирм.Второй немаловажной причиной явилось и то, что комплекс технических средств, выполняющий задачи, указанные выше, имеет меньшую стоимость, чем у КТС других фирм.Ещё одна из главных особенностей фирмы «Siemens»– это качественная электроника, т.е. возможность работы такой электроники в тяжелых условиях. К сожалению, отечественная промышленность не выпускает контроллеры с такими вычислительными аппаратными возможностями.Данные о ходе технологических процессов хранятся в памяти компьютера и при необходимости могут быть вызваны на экран и выведены на принтер для печати. Внедрение в систему автоматизации ПК позволяет изменять величины заданий для любых параметров, более оперативно управлять процессом, а также видеть динамику и взаимосвязь изменений каких-либо технологических параметров. Внедрение подобных систем приводит к увеличению эффективности работы котла примерно на 10% и снижению времени простоев. Кроме того, достигаются уменьшение выбросов, легкий перевод с одного вида топлива на другой, снижение производственных и эксплуатационных расходов, эффективное использование топливаОпыт разработки системы управления фирмы –Siemens показывает, что количество входов и выходов в системе для конкретного объекта может варьироваться от единицы до сотен. Также анализ алгоритмов управления показывает, что решаемые задачи могут значительно различаться по объему и сложности как в части одновременно работающих исполнительных механизмов, так и в части специфики отображения информации.Предлагаемый контроллер выполняет все функции релейной автоматики, позволяет принимать унифицированные аналоговые сигналы, сигналы с термопар и термосопротивлений, осуществлять ручное управление оборудованием и контурами регулирования, отказаться от большого количества сигнальных ламп и кнопок управления.Для регистрации параметров технологического процесса (температура, давление и т д.) и аварийных сообщений используется принтер. Вывод на печать параметров осуществляется по времени или по запросу.Пульты оператора могут быть размещены как на шкафу управления, так и вынесенынаотдельную панель.В качестве рабочего места диспетчера котельной может использоваться персональный компьютер с цветным эргономичным экраном.Его функции:отображение состояния параметров технологического процесса на мнемосхемах;просмотр трендовой информации;просмотр состояния оборудования.управление оборудованием и контурами управления;прием и подтверждение сигналов аварии,архивирование информации;распечатка протоколов внедрения.Экономическая оценка предлагаемой системы управленияРассмотрим с экономической точки зрения две системы управления «SimaticS7-1500»фирмы Siemens и система управления на базе контроллеров семейства MELSEC FX фирмы Mitsubishi Electric.На основании анализа двух этих систем видно, что они обе подходят для выполнения необходимых задач автоматизации, но КТС фирмы Siemens имеет меньшую стоимость. Поэтому реализацию этого проекта выполняем на базе ПЛК фирмы Siemens.Разработка технической структурыСАУ.В теплоэнергетике и ЦБП широко используются САУ, состоящие из 3-хиерархических уровней. Нижний уровень – это ОУ, где расположеныизмерительные преобразователи, РО, ИМ; на среднем находятсяуправляющие устройства, вычисляют и выдаютуправляющие сигналы, осуществляют опрос датчиков и первичную переработку данных на третийуровеньсистемы; третий уровеньсостоит из станцииоператора, которая включает АРМы технологов операторов.Третий уровень: операторский Пульт. Уровень управляющих устройств:Реализованкакстойкауправляющих устройств(на схеме обозначено ШК) и в реальном масштабе времениосуществляет регулирование (дистанционно и автоматически)параметрамикотла. ШКбольшую частьзадачрегулирования и имеет всвоем составемикроконтроллер SimaticS7-1500. Элепитаниестойки управляющих устройств (на схеме обозначено ШК) реалилизуется от ИБП(на схеме обозначено ШБП).Уровень измерительных преобразователей: Технические средстванаходятся в помещении котлоагрегата и состоят из:стойкиУСО;силовых стоек дляИМ (стойкиПЧПН, ПЧДС,ПЧДВ, стойки управления запорной арматурой ШУЗ, стойкиуправления РО ШУР);стойки ШАВРС, подающие напряжение наИМ.                    Стойки УСО осуществляют сбор и первичную переработку информации от измерительных преобразователей, выдачусигналов регулированияи осуществляетдвухстороннюю передачу данных с уровнем управляющих устройств. Стойкасодержит устройство распределенного ввода/вывода, блоки питания УСО, блоки УСО, интерактивныймонитор 19". Стойка УСО запитана от ИБП (на схеме обозначено ШБП).СтойкаУСО. СигналыI/O:DI, ±24 В;DO, ±24 В;AI, (4-20) мА. Управление исполнительными механизмами по местуреализуетсявнешнимипультами и пультами настойках.Удаленное и автоматическое управление электроприводами реализуется от стоек управляющих устройств по интерфейсу PROFIBUSDP. Управлениепо местуреализуется с пультов стоек частотных преобразователей. Уровень измерительных преобразователей:В целях унификации все ИП и датчики положения выбраны с выходным сигналом 4-20 мА.Техническая структура АСУТП представлена в Приложение 3.Рис. Программируемый контроллер S7‐1500S7‐1500 это универсальный модульный программируемый контроллер для автоматизации циклических процессов во всех секторах промышленного производства. Высокая производительность, модульная конструкция, широкие коммуникационные возможности, гибкое использование систем локального и распределенного ввода-вывода, множество функций, поддерживаемых на уровне операционнойсистемы центральных процессоров, высокая стойкость к электромагнитным и механическим воздействиям, работа с естественным охлаждением, удобство эксплуатации позволяют получать рентабельные решения для построения систем промышленной автоматизации различного назначения. Разработка проектов в среде TIA Portal повышает эффективность выполнения проектных работ, позволяет использовать все новые языковые расширения и функциональные возможности аппаратуры, существенно упрощает решение вопросов взаимодействия с аппаратурой и системами человеко-машинного интерфейса, приводами, низковольтной коммутационной и защитной аппаратурой, снижает трудозатраты и время выполнения проектных работ.Программируемый контроллер S7-1500 имеет модульную конструкцию и позволяет использовать в своем составе: Модуль центрального процессора (CPU), предназначенный для выполнения программы пользователя, управления всеми узлами контроллера и компонентами системы распределенного ввода-вывода. Сигнальные модули (SM), предназначенные для ввода и вывода дискретных и аналоговых сигналов с различными электрическими и временными параметрами. Технологические модули (TM), предназначенные для решения задач скоростного счета, позиционирования, формирования импульсов, взвешивания и т.д. Коммуникационные модули (CM/CP), предназначенные для увеличения количества коммуникационных интерфейсов контроллера и выполнения обмена данными через промышленные сети PROFINET, Industrial Ethernet и PROFIBUS, а также через непосредственные соединения на основе последовательных интерфейсов. Системные блоки питания (PS), предназначенные для питания электроники модулей контроллера через его внутреннюю шину, если мощности встроенного в CPU блока питания для этой цели недостаточно. Блоки питания нагрузки (PM), предназначенные для подключения к питающей сети ~120/230 В и формирования выходного напряжения =24 В. Однотипные модули (SM, CM) S7-1500 делятся на классы, отличающиеся поддержкой различного набора функций: Модули класса BA (Basic) относительно простые и недорогие компоненты без диагностики параметров.Модули класса ST (Standard) с поддержкой диагностических функций на уровне модуля или группы каналов. Класс точности для аналоговых модулей равен 0.3 %. Модули класса HF (High Feature) с поддержкой диагностических функций на уровне каждого канала. Класс точности для аналоговых модулей равен 0.1 %. Повышенная стойкость к воздействию помех, повышенная прочность электрической изоляции.Модули класса HS (High Speed) с малыми временами фильтрации сигналов и короткими временами преобразования.Выбор конкретных модулей был сделан ранее, см. табл. 11, в соответствии с которой была разработана, блок модульная схема контроллера, представленная на рис. 34.Рис. 34Блок модульная схема контроллера S7‐1500Рис. Конструкция контроллера S7‐1500Конструкция контроллера отличается высокой гибкостью и удобством обслуживания: Все модули устанавливаются на профильную шину S7-1500 и фиксируются в рабочем положении винтами, встроенными в каждый модуль. Нижняя часть профильной шины S7-1500 является полным аналогом 35 мм профильной шины DIN и может использоваться для установки другой аппаратуры (автоматических выключателей, реле, контакторов и т.д.). Во все модули кроме модулей блоков питания нагрузки (PM) встроены участки внутренней шины контроллера. Соединение этих участков выполняется U-образными шинными соединителями, устанавливаемыми на тыльной стороне корпуса. Шинные соединители входят в комплект поставки всех модулей за исключением модулей центральных процессоров и блоков питания нагрузки. Внешние цепи сигнальных модулей подключаются через съемные 40-полюсные фронтальные соединители. Наличие фронтальных соединителей упрощает выполнение операций подключения внешних цепей и позволяет производить замену модулей без демонтажа внешних соединений. При выполнении монтажных работ фронтальный соединитель может устанавливаться в промежуточное положение, при котором его корпус зафиксирован на модуле, но не имеет электрических соединений с его электроникой. Единая для всех модулей глубина корпуса. Все кабели располагаются в монтажных каналах модулей и закрываются изолирующими защитными дверцами. Произвольный порядок размещения модулей в монтажных стойках. Фиксированные места должны занимать только блоки питания нагрузки и центральные процессоры.Работа с естественным охлаждением в диапазоне температур от 0 до 60 °C при горизонтальной установке контроллера. ЗАКЛЮЧЕНИЕВ рамках даннойВКРбыла разработана САУ температурой воды на выходе котлаТТ100. В ходе дипломного проектирования был изучен объект автоматизации и технология его работы,выбран способ управления параметром,определено и обосновано основное оборудование АСУТП, определены настройки регулятора. Созданоматематическое описание водогрейного котла ТТ100и математическое описание датчика, автоматического регулятора, исполнительного механизма, регулирующего органа.Разработана функциональная схема автоматизации водогрейного котла ТТ100 на базе контроллера Siemens модели Simatic S7 1500, спецификация технических средств автоматизации водогрейного котла ТТ100, блок модульная схема контроллера Siemens модели Simatic S7 1500.Ввод разработанной САУ в эксплуатациюпозволитминимизировать выбросы окружающую среду и снизить расход топлива за счет оптимизации настроек регулятора.БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК«Котел водогрейный ТТ100» [Электронный ресурс] режим доступа: https://www.entroros.ru/produktsiya/kotly-vodogreynye/kotel-vodogreynyy-tt100/, oсвободный. – Загл. с экрана.Плетнев Г.П.Автоматизация технологических процессов и производств в теплоэнергетике [Электронный ресурс] : учебник для студентов вузов / Г.П. Плетнев. – М.: Издательский дом МЭИ, 2016. – Загл. с экрана.ГОСТ 22061-76 Машины и технологическое оборудование. Система классов точности балансировки. Основные положенияСуриков В.Н., Серебряков Н.П., Попов В.Б. Автоматизация технологических процессов и производств: учебно-методическое пособие по выпускной квалификационной работе бакалавра/ВШТЭ СПб ГУПТД.-СПб., 2017 - 106 с.ГОСТ 24.104-85. Единая система стандартов автоматизированных систем управления. Автоматизированные системы управления. Общие требованияГОСТ 34.602-89. Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Техническое задание на создание автоматизированной системыГОСТ 12.049-80. Система стандартов безопасности труда. Оборудование производственное. Общие эргономические требования.ГОСТ 21837-76 – Система «человек-машина». Табло коллективного пользования из цифровых знакосинтезирующих электролюминесцентных индикаторов. Общие эргономические требованияСуриков В.Н., Серебряков Н.П. Автоматизированные системы управления технологическими процессами: учебно-методическое пособие по курсовому проектированию/ ВШТЭ СПБГУТД. СПБ., 2017 - 46 с.ПРИЛОЖЕНИЯПриложение 1Спецификация на основные технические средстваПриме-чание9Масса единицы, кг.8Кол- во7111Единица измерения6Завод изготовитель5Концерн Метран г.ЧелябинскАО "СКБ СПА"г. Чебоксары«АБС автоматизация», г. ЧебоксарыКод оборудования 4Тип, марка3Метран 100-ДИ- 2160-01-МП-tl- 050-10МПа 42- КБ- С - ВИПБР-ЗАМЭО-630/63- 0.25-У92КНаименование и техническая характеристика2Давления воды в прямом трубопроводеПреобразователь измерительный избыточного давления с выходным сигналом 4 ... 20 мА ТУ 4212-012-12580824-2001Пускатель бесконтактный реверсивныйИсполнительный механизм электрический однооборотныйПоз.11-11-21-3Продолжение приложения 1Приме-чание9Масса единицы, кг.8Кол- во711Единица измерения6Завод изготовитель5НПП "Элемер" г. МоскваНПП "Элемер" г. МоскваКод оборудования 4Тип, марка3ТСМУ-205-ЕхТСМУ-205-ЕхНаименование и техническая характеристика2Температура воды в прямом трубопроводеТермометр сопротивлений с унифицированным выходным сигналом (4-20 мА), диапазон измерения 0-150 °С, показатель тепловой инерции 10 сек. Защитная арматура,контактирующая с измеряемой средой - сталь 12Х18Н10ТТермометр сопротивлений с унифицированным выходным сигналом (4-20 мА), диапазон измерения 0-100 °С, показатель тепловой инерции 10 сек. Защитная арматура,контактирующая с измеряемой средой - сталь 12Х18Н10ТПоз.12-12-2Продолжение приложения 1Приме-чание9Масса единицы, кг.8Кол- во71111Единица измерения6Завод изготовитель5НПП "Элемер" г. МоскваКонцерн Метран г.Челябинскзавод "Пром - прибор"Завод электроники и механики г. ЧебоксарыКод оборудования 4Тип, марка3ТСМУ-205-ЕхМетран 43-ДД- 2160-01-МП-tl- 050-10МПа 42- КБ- С - ВИПБР-ЗАМЭО-630/63- 0.25-У92КНаименование и техническая характеристика2Термометр сопротивлений с унифицированным выходным сигналом (4-20 мА), диапазон измерения –50...+50 °С, показатель тепловой инерции 10 сек. Защитная арматура,контактирующая с измеряемой средой - сталь 12Х18Н10ТДавление воздуха к горелкеПреобразователь измерительный избыточного давления с выходным сигналом 4 ... 20 мА ТУ 4212-012-12580824-2001Пускатель бесконтактный реверсивныйИсполнительный механизм электрический однооборотныйПоз.12-33-13-63-7Продолжение приложения 1Приме-чание9Масса единицы, кг.8Кол- во7111Единица измерения6Завод изготовитель5Концерн Метран г.Челябинскзавод "Пром - прибор"Завод электроники и механики г. ЧебоксарыКод оборудования 4Тип, марка3Метран 43-ДИ- 2160-01-МП-tl- 050-10МПа 42- КБ- С - ВИПБР-ЗАМЭО-630/63- 0.25-У92КНаименование и техническая характеристика2Давление газа к горелкеПреобразователь измерительный избыточного давления с выходным сигналом 4 ... 20 мА ТУ 4212-012-12580824-2001Пускатель бесконтактный реверсивныйИсполнительный механизм электрический однооборотныйПоз.13-23-43-5Продолжение приложения 1Приме-чание9Масса единицы, кг.8Кол- во7111Единица измерения6Завод изготовитель5Emerson Process Managementзавод "Пром - прибор"Завод электроники и механики г. ЧебоксарыКод оборудования 4Тип, марка3Oxymitter 4000/5000, X-STREAM O2ПБР-ЗАМЭО-630/63- 0.25-У92КНаименование и техническая характеристика2Концентрация кислорода в уходящих газахАнализатор кислородаПускатель бесконтактный реверсивныйИсполнительный механизм электрический однооборотныйПоз.13-33-83-9Окончание приложения 1Приме-чание9Масса единицы, кг.8Кол- во7111Единица измерения6Завод изготовитель5Концерн Метран г.Челябинскзавод "Пром - прибор"Завод электроники и механики г. ЧебоксарыКод оборудования 4Тип, марка3Метран 43-ДИ- 2160-01-МП-tl- 050-10МПа 42- КБ- С - ВИПБР-ЗАМЭО-630/63- 0.25-У92КНаименование и техническая характеристика2Разряжение в топкеПреобразователь измерительный избыточного давления с выходным сигналом 4 ... 20 мА ТУ 4212-012-12580824-2001Пускатель бесконтактный реверсивныйИсполнительный механизм электрический однооборотныйПоз.14-14-24-3