Наименование модуля
|
Описание
|
Количество
|
MDS AI-8UI
|
Модуль ввода на 8 аналоговых дифференциальных сигналов
|
1
|
MDS AO-2UI
|
Двухканальный аналоговый модуль вывода унифицированных сигналов
по току или напряжению
|
3
|
MDS DIO4/4R
|
4 дискретных входа, 4 дискретных выхода на реле
|
1
|
В системе управления применен
промышленный контроллер Теконик Р06 производства ЗАО «Промконтроллер» с
интерфейсными модулями ввода-вывода MDS производства НПФ «КонтрАвт».
Контроллер Р06 предназначен для
построения распределенных систем автоматического управления (регулирования) или
логико-программного управления технологическими процессами АСУ ТП, выполнения
технологических защит, сбора и обработки информации в различных отраслях
промышленности. Программирование контроллеров осуществляется на технологических
языках стандарта МЭК 61131-3 с помощью интегрированной среды разработки (ИСР)
«КРУГОЛ».
− процессорное ядро на
базе модуля t-mezon и СПО TeNIX®;
− FLASH/SDRAM - 16/32Мб;
− энергонезависимое
статическое ОЗУ - 1 Мб с питанием от резервной батареи;
− 2 интерфейса Ethernet
IEEE 802.3 10/100 Мбит;
− 6 последовательных
интерфейсов СОМ 1…COM6;
− поддержка приборов
учета и интеллектуальных устройств;
− напряжение питания -
24 В (допустимый диапазон напряжения питания 15…30 В);
− максимальная
потребляемая мощность - от 3 до 6,5 Вт в зависимости от исполнения;
− габаритные размеры -
159х96х59 мм;
− масса - не более 500
гр.
Модули удалённого ввода-вывода MDS обеспечивают
периферийный ввод / вывод аналоговых и дискретных сигналов в распределенных
управляющих системах и системах сбора данных по протоколам, MODBUS RTU, RNet и
DCS.
Характеристики, общие для всех
модулей:
− Передача данных в
управляющий контроллер по сети с интерфейсом RS-485. Поддерживаемые протоколы:
· MODBUS RTU;
· RNET (протокол,
используемый регуляторами МЕТАКОН);
· DCS (ASCII
протокол, совместимый с модулями Adam от Advantech);
− Число приборов в одной
сети без репитеров - до 32;
− Индивидуальные
настройки каждого канала;
− Время опроса - 10 мс
на входной канал для дискретных модулей и 100 мс для аналоговых модулей;
− Индикация состояния
каналов;
− Индикация сигналов
самодиагностики;
− 16-битные счетчики
событий в каждом канале;
− Установка безопасных
значений при срабатывании системного «сторожевого» таймера;
− Сохранение
установленных характеристик прибора в энергонезависимой памяти при отключении
питания;
− Гальваническая
изоляция:
· сигнальные линии /
питающая сеть 1500В;
· питающая сеть /
интерфейс RS-485 1000В;
· сигнальные линии /
интерфейс RS-485 1000В;
− Межповерочный интервал
- 2 года;
− Напряжение питания -
10В…30В;
− Габариты не более
59х105х86 мм;
− Вес не более 0,25 кг.
Для связи верхнего уровня с нижним
используется ЛВС стандарта IEEE 802.3u (100BASE-TX) «Fast Ethernet».
Для организации автоматизированного
рабочего места (АРМ) оператора и сервера базы данных в системе использована ЭВМ
верхнего уровня со следующими характеристиками:
- процессор: Intel Core i3-550 (3,2 ГГц);
- объём ОЗУ: 2048 МБ;
- объём жёсткого диска: 320 Гб;
- тип графического
контроллера: встроенный;
- оптический привод: DVD±RW;
- ОС: Windows XP SP3.
ЭВМ верхнего уровня работает под
управлением модульной интегрированной SCADA «КРУГ-2000» (производства НПФ «КРУГ», г. Пенза).КРУГ-2000 -
современное высоконадежное средство построения АСУ ТП в области ответственных
применений. АСУ ТП, разработанные на основе SCADA КРУГ-2000, успешно
эксплуатируются на множестве предприятий по переработке нефти и газа, в
энергетике, химической промышленности и многих других отраслях
производства.КРУГ-2000 является одной из старейших и наиболее функциональных
отечественных SCADA-систем. Отличительными чертами SCADA КРУГ-2000 является
высокая надежность, модульность, глубокая интеграция SCADA и среды
программирования контроллеров, мощный инструментарий, обеспечивающий удобство
создания и отладки проектов пользователя. Стоимость SCADA КРУГ-2000 значительно
меньше стоимости западных аналогов.
4. Расчет системы
управления
Рассмотрим структурную схему контура
регулирования уровня в барабане дефекосатуратора (рис. 2).
Рисунок 1 - Исходная
структурная схема контура регулирования уровня
Объект регулирования описан типовым
инерционным звеном. Передаточная функция объекта имеет вид
, (1)
где ko - коэффициент усиления объекта регулирования;
To - постоянная времени объекта.
Измерительный преобразователь
(датчик разности давлений) представляет собой также инерционное звено,
передаточная функция которого определяется формулой
, (2)
где ko - коэффициент усиления измерительного преобразователя;
To - постоянная времени измерительного преобразователя.
Исполнительный механизм
(регулирующий клапан) имеет свойства астатического звена. Его передаточная
функция определяется как
, (3)
Учитывая, что объект регулирования
инерционный, выбираем ПИ-регулятор. ПИ-регулятор обладает астатизмом первого
порядка и форсирующими свойствами, которые могут соответственно устранить
статическую ошибку и скомпенсировать относительно большую инерционность
объекта. Учитывая данные передаточных функций объекта регулирования,
измерительного преобразователя, исполнительного механизма и ПИ-регулятора.
Рисунок 2 - Структурная
схема контура регулирования уровня
Преобразуем полученную систему
регулирования, приведя её к структурной схеме с единичной обратной связью. Для
этого перенесём сумматор с выхода на вход обратной связи, при этом необходимо
между переносимым воздействием и сумматором добавить фиктивное звено с
передаточной функцией, обратной передаточной функции исходного звена:
(4)
При этом упростим схему, объединив
объект и исполнительный механизм по правилу последовательного соединения
звеньев (рис. 4).
Рисунок 3 - Структурная
схема с единичной обратной связью
Часть системы, не
охваченная единичной обратной связью, на динамику системы не влияет, поэтому
при проведении исследования не рассматривается.
Выберем в качестве
начальных настроек регулятора звено с передаточной функцией Wp (p)
= 1. Получим структурную схему, приведённую на рис. 5.
Рисунок 4 - Структурная
схема системы
По виду логарифмической
характеристики системы видно, что она пересекает ось абсцисс под углом -40
Дб/дек, что свидетельствует о расходящемся переходном процессе в системе,
частота среза ωс
= 0.0269 рад/с, запас по фазе φ3
= -14.7549, частоты сопряжения среднечастотного участка с низко- и
высокочастотными участками соответственно ωс2
= -0.000144 рад/с, ωс3
= -0.1 рад/с. Частоты сопряжения должны отличаться от частоты среза на 0,6…0,9
декады. Первая частота этому условию не удовлетворяет.
Ликвидируем частоту
сопряжения ωс2.
Это уменьшит влияние самого инерционного элемента и устранит статическую
ошибку. Для этого на частоте сопряжения ωс2,
характеризующей наименьший корень характеристического уравнения, нужно умножить
передаточную функцию системы на .
Введём передаточную
функцию варьируемого блока p+0,000144.
Передаточная функция
варьируемого блока (регулятора):
.
Для повышения
быстродействия регулятора увеличим частоту среза до максимально возможной
величины, основываясь на рекомендуемом запасе по фазе φ3
≥ 20…500, длине участка от частоты среза до частоты сопряжения ωс3
= 0,6…0,9 декады. Поэтому увеличиваем коэффициент усиления всей системы для
сдвига логарифмической амплитудной характеристики вверх. Для этого умножим
передаточную характеристику на коэффициент усиления kу
= 36,49. Получим передаточную функцию варьируемого звена
Эта передаточная функция
соответствует ПИ-регулятору со следующими настройками: kд
= 0,00526 и kп = 36,49. Графики логарифмических характеристик приведены на рис.
7. По графику видно, что частота среза ωс
=0,0265 рад/с, запас по фазе φ3
= 75,18. Это вполне удовлетворяет требованиям.
Переходной процесс в
системе остался плавным апериодическим, без перерегулирования. Статическая
ошибка системы стала равна нулю, время переходного процесса составило 84,79 с.
Полученные настройки
варьируемого звена:
− Коэффициент усиления
пропорционального канала kп = 36,49;
− Коэффициент усиления
дифференциального канала kд = 0,00526.
5. Формализованное
описание задачи и алгоритма управления
очистка контроль автоматизация
диффузионный сок
Под алгоритмом управления понимается
описание процедуры обработки информации о наблюдаемых переменных состояния с
целью определения управляющих воздействий, реализуемых для получения требуемых
показателей управляемого процесса как в установившемся, так и в переходном
режиме.
Алгоритм управления должен давать
четкое представление о том, какую последовательность действий нужно произвести,
чтобы наилучшим образом решить поставленную задачу. Он составляется технологом
для упрощения задачи программиста при написании программного обеспечения для
контроллера.
Алгоритм технологических защит
отделения дефекосатурации должен обеспечивать остановку диффузионного сока,
прекращения подачи топлива в топку при:
увеличении давления рН до 1,43 МПа;
понижении уровня воды ниже
допустимого уровня;
повышении уровня воды выше
допустимого уровня;
повышении давления в топке выше +10
Па;
понижении давления воздуха ниже 300
Па.
Алгоритм реализован в прикладном ПО
контроллера на технологическом языке FBD (стандарт МЭК 61131-3).
ПО контроллера осуществляет
циклический опрос (с периодом T=100 мс) модулей ввода-вывода, считывая текущие значения входных
сигналов от датчиков. После чтения значений входных сигналов производится их
контроль на аварийные границы (в скобках указаны обозначения соответствующих
сигналов в ПО контроллера):
) проверка давления воздуха
под решётку по датчику 9-1 (AI 9) на нижнюю границу
(300 Па);
) проверка давления пара в
барабане котла по датчику 11-1 (AI 11) на верхнюю границу (1,43
МПа);
) проверка давления в топке
котла по датчику 12-1 (AI 12) на верхнюю границу
(+10 Па);
) проверка уровня в барабане
котла по датчику 15-1 (AI 15) на нижнюю границу (-80
мм);
) проверка уровня в барабане
котла по датчику 15-1 (AI 15) на верхнюю границу (+80 мм);
) проверка давления пара в
барабане котла по датчику 22-1 (DI 1) на верхнюю границу (граница устанавливается вручную на ЭКМ);
При нарушении заданных аварийных
границ по любому из вышеприведённых параметров производится аварийный останов
котла в следующей последовательности:
) на дисплей АРМ оператора
выводится сообщение «Аварийный останов котла»;
) отключаются выходы DO3 (управление ЧРП
питателя №1), DO4 (управление ЧРП питателя №2), DO6 (управление ЧРП
дутьевого вентилятора);
) на выходы DO13 (отключение привода
забрасывателя №1), DO15 (отключение привода забрасывателя №2) выдаются 1-секундные
импульсы для отключения магнитных пускателей;
) через 60 минут
(максимальное время догорания топлива) производится отключение выхода DO5 (управление ЧРП
дымососа).
Заключение
Автоматизированная система
управления отделением дефекосатурации предоставляет оператору подробную
информацию о протекании технологического процесса, производит архивирование
основных технологических параметров, ведёт протокол событий, позволяет
формировать отчёты в табличной и графической форме и имеет возможность
самодиагностики. Эти свойства повышают надежность и удобство эксплуатации
системы, повышают безопасность эксплуатации.
Достигнутый эффект при помощи АСУ
ТП:
· улучшение
термоустойчивости сока на последующих стадиях производства,
· улучшение скорости
осаждения и фильтрования взвешенных веществ в диффузионном соке,
· повышения
эффективности очистки сока снижение потерь сахара на участке очистки и
последующих участках производства,
· сокращение расхода
извести, сатурационного газа и сопутствующих им расходов,
· стабилизация
соковых потоков и синхронизации производительности участка очистки сока с
производительностью участка диффузии (или клеровки).
Библиографический список
1. СТП-ОмПИ-01-82. Учебная документация студентов. Требования и
рекомендации по оформлению.
2. ГОСТ 2.105-95 - Общие требования к текстовым документам.
. Федотов А.В. Составление технического задания.
Методические указания к курсовому и дипломному проектированию. Омск: Изд-во
ОмГТУ, 1999. - 23 с.
. Проектирование систем автоматизации технологических
процессов: Справочное пособие / А.С. Клюев, Б.В. Глазов, А.Х. Дубровский, А.А.
Клюев; Под ред. А.С. Клюева. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 464 с.
. Федотов А.В. Сборник заданий для практических занятий и
самостоятельной работы по дисциплине «Автоматизация технологических процессов и
производств». Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007. - 33 с.
. Федотов А.В. Методические указания к СРС (курсовой
работе) по дисциплине «Автоматизация технологических процессов и производств».
Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007. - 65 с.
. Федотов А.В. Автоматизация управления в производственных
системах: Учеб. пособие. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2001. - 368 с.
. Хомченко В.Г., Федотов А.В. Основы автоматизации
технологических процессов и производств: Учеб. пособие. Омск: Изд-во ОмГТУ,
2006. 304 с.
. Хомченко В.Г., Федотов А.В. Автоматизация технологических
процессов и производств: Учеб. пособие. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005. - 488 с.
. ГОСТ 19.701-90 (ИСО 5807-85) - Схемы алгоритмов,
программ, данных и систем. Условные обозначения и правила выполнения.
11. ГОСТ 21.404-85 - Обозначения условные приборов и средств
автоматизации в схемах.
Приложение А
Техническое задание на проектирование автоматизированной системы управления
технологическим процессом парового котла
1. Цели создания системы:
) снижение затрат на топливо,
электроэнергию и воду за счет оптимизации режимов работы котельной и применения
частотно-регулируемых приводов;
) снижение затрат на ремонт
оборудования за счет своевременного принятия мер по устранению неполадок, а
также планирования мероприятий по их предупреждению;
) сокращение дежурного и обслуживающего
персонала, уменьшение фонда оплаты труда и связанных с ним накладных расходов;
) повышение надежности работы
оборудования котельной за счет всестороннего контроля его состояния, применения
селективных токовых защит и частотно-регулируемых приводов;
) повышение точности,
достоверности и оперативности получения информации о состоянии котлового
оборудования, расхода воды, пара и тепла для принятия правильных управленческих
решений, в том числе, в аварийных ситуациях;
) предоставление информации о
состоянии оборудования дежурному оператору котельной в удобном для восприятия
виде (технологические мнемосхемы котлов с индикацией значений технологических
параметров и их отклонений);
) регистрация контролируемых
параметров и событий, автоматическое архивирование их в базе данных,
предоставление информации из базы данных в виде трендов, таблиц, диаграмм;
) автоматическая регистрация
действий дежурного оператора, в том числе, в аварийных ситуациях, для повышения
уровня ответственности оперативного персонала.
. Назначение системы управления
паровым котлом КЕ 25-14С.
Автоматизированная система
управления котлом КЕ 25-14С предназначена для выполнения следующих задач:
визуализации котловых процессов на
дисплее рабочей станции
оператора (АРМ оператора);
генерирования уведомительной,
предупредительной и аварийной сигнализаций при отклонении параметров от
регламентированных значений;
противоаварийной защиты котла;
формирования протокола аварийных и
предупредительных сообщений (журнала событий);
Рассматриваемые паровые котлы КЕ
25-14С располагаются в узловой котельной станции г. Боготол и предназначены для
выработки пара, направленного на технологические нужды и отопление. Монтаж
автоматизированной системы заключается в установке аналоговых и дискретных
датчиков, частотных преобразователей, щитов индикации и шкафов управления
котлами, а также приборов визуального контроля в соответствии с функциональной
схемой, схемой электрической соединений и планом расположения кабельных трасс.
Система управления выполняет
следующие функции.
) Контроль параметров котла:
давления пара в барабане котла;
уровня воды в барабане котла;
температур отходящих газов до и
после экономайзера;
температур питательной воды до и
после экономайзера;
температур воздуха до и после
воздухоподогревателя;
температуры пара;
содержания кислорода в отходящих
дымовых газах;
давления воздуха;
расхода воды;
выработки пара;
разрежения в топке котла.
) Управление:
клапаном питательной воды;
частотными преобразователями вентилятора,
дымососа, питателей и приводом удаления;
приводом забрасывателя;
вентилятором возврата уноса.
) Диагностику состояния:
датчиков и исполнительных
механизмов;
кипятильных труб;
узла возврата уноса;
водяного экономайзера.
) Передачи данных о работе котла на
АРМ оператора по интерфейсу Ethernet.
Система обеспечивает:
пуск, штатную и аварийную остановку
котла;
автоматическое регулирование уровня
воды в барабане котла клапаном питательной воды;
автоматическое регулирование
разрежения в топке котла;
автоматическое регулирование
давления воздуха;
автоматическое регулирование
давления пара изменением подачи топлива;
остановку дутьевого вентилятора,
прекращения подачи топлива и удаления угля из топки при:
увеличении давления пара до 1,43
МПа;
понижения уровня воды ниже
допустимого уровня;
повышения уровня воды выше
допустимого уровня;
прекращении подачи электроэнергии в
котельную;
неисправности оборудования;
команде «Стоп Аварийный».
уведомительную, предупредительную,
аварийную сигнализации и вывод
параметров котла на дисплей рабочей
станции;
блокировку пуска при отсутствии
электропитания в котельной;
противоаварийную защиту;
регистрацию всех параметров.
. Логика процессов.
В этом разделе ТЗ описана логика
процессов работы автоматизированной системы управления паровым котлом КЕ 25-14.
.1 Предпусковая самодиагностика
системы.
После включения системы происходит
опрос датчиков и исполнительных механизмов. При выявлении неисправности, на
монитор АРМа выдается соответствующее сообщение, включается предупредительная
сигнализация.
.2 Заполнение барабана котла.
Перед заполнением котла необходимо
выполнить действия, описанные в инструкции машиниста по эксплуатации котлов КЕ
25-14С. После этого подается команда с АРМа на заполнение барабана котла.
Начинает функционировать контур регулирования уровня в барабане котла с
заданием «-70 мм*». Если уровень в барабане больше задания, то выдается
соответствующее сообщение на монитор АРМа. При заполнении барабана происходит
диагностика управляемости клапана питательной воды. После заполнения барабана
начинает функционировать подсистема СБиПАЗ по уровню.
.3 Вентиляция топки котла.
При необходимости, вентиляция топки
котла производится оператором вручную.
.4 Заполнение топки топливом.
Заполнение топки котла топливом
производится оператором вручную. При этом происходит диагностика управляемости
питателей и забрасывателей.
.5 Розжиг котла.
Розжиг котла происходит вручную, в
соответствии с инструкцией по эксплуатации котлов КЕ 25-14С.
.6 Прогрев котла.
После получения устойчивого пламени
оператор должен включить контуры регулирования давления воздуха, разрежения,
мощности котла, уровня в барабане и золоудаления. Автоматически включаются
соответствующие подсистемы СБиПАЗ. Задания для регулирования вносятся в АРМ, в
зависимости от состояния котла, в соответствии с инструкцией по эксплуатации.