Модернизация автоматизированной системы управления насосной циркуляционной станции

Модернизация автоматизированной системы управления насосной циркуляционной станции

Введение

Новым этапом развития промышленного производства является переход к использованию передовой технологии, стремление добиться предельно высоких эксплуатационных характеристик как действующего, так проектируемого оборудования, необходимостью свести к минимуму любые потери в производстве. Это возможно только при условии значительного повышения качества управления промышленными объектами, в том числе путем широкого применения автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУ ТП).

Технико-экономическими предпосылками создания АСУ ТП являются прежде всего рост производства, усиление и усложнение связей между отдельными звеньями технологического процесса увеличение единичной мощности оборудования, использование форсированных режимов появление установок и целых производств, функционирующих в критических режимах. В настоящее время в развитии многих отраслей промышленности появились новые факторы, связанные не только с повышением требований к количеству и качеству выпускаемой продукции, но и с напряженностью в области трудовых ресурсов. Рост производительности труда, в частности путем его автоматизации, становится, возможно, единственным источником расширения производства. Указанные обстоятельства предъявляют новые требования к масштабам использования и к техническому уровню АСУ ТП, к обеспечению их точности, быстродействия, надежности, экономичности, то есть к эффективности их функционирования.

В ходе преддипломной практики был выбран объект, нуждающийся в модернизации автоматизированной системы управления; им является насосная циркуляционная станция №3 ЦСО сталеплавильного производства КЦ ЧерМК ПАО «Северсталь».

Говоря об актуальности выбранной темы, в первую очередь необходимо заметить, что в настоящее время контроль за ходом технологического процесса осуществляется при помощи вторичных измерительных приборов, расположенных в операторской циркуляционной насосной станции, данная система имеет существенные недостатки:

Во-первых, существующее оборудование устарело физически, во-вторых не следует прогрессивному развитию новых технологий в данной сфере. Так же оно не поддерживает внедрения новых функций, качественно и количественно влияющих на работу циркнасосной. Технические средства не обладают достаточной гибкостью контроля и управления; в операторской ведётся недостаточный и не точный контроль за параметрами измерения температуры и давления, а также исчерпаны возможности по дальнейшему наращиванию системы. Недостаточность наглядного отображения хода технологического процесса, затрудняет управление им и снижает скорость реагирования персонала на отклонения в системе.

Вышеперечисленные недостатки указывают на необходимость модернизации существующей автоматизированной системы управления насосной циркуляционной станции №3ЦСО СП КЦ.

Такая модернизация позволит:

осуществлять повышенный контроль за работой технологического оборудования;

создать предпосылки для дальнейшей модернизации, с последующим осуществлением автоматического управления технологическим процессом

насосный станция сталеплавильный

1. Постановка задачи

К САУ циркуляционной насосной станции предъявляются следующие технологические требования:

величина максимального возможного возмущения по нагрузке в процессе максимально допустимое динамическое отклонение регулируемой величины (Х_д< 8,5°С), эксплуатации объекта управления (У_в=12%), допустимое время регулирования (t_рег650 c), максимально допустимое статическое отклонение регулируемой величины (X_ст< 1,8°С).

График переходного процесса построен по опытным данным взятых в технической литературе [8] и представлен на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - График переходного процесса

Все методы анализа качества переходного процесса делят на прямые и косвенные. Прямые показатели качества определяют, непосредственно, по переходной характеристике.

На основании графика переходного процесса системы автоматического управления технологическими процессами (рисунок 1.1) определяем качественные показатели системы и сравниваем их с заданными значениями:

Максимальное динамическое отклонение: X_д=Х_вхХ₁, которое должно быть меньше заданного значения X_д;

По графику (Рисунок 1.1) видно, что Х_д=5,8°C и это значение не превышает заданного допустимого динамического отклонения регулируемой величины, которое должно быть меньше 8,5 °C.

Остаточное отклонение регулируемой величины: Х_ст=Х_вхХ_с, должно быть меньше заданной величины (Х_{ст задан} );

По графику (Рисунок 1.1) видно, что Х_ст=0,2°C и это значение не превышает заданного остаточного отклонения регулируемой величины, которое должно быть меньше 1,8°С.

Фактическое время регулирования (t_рег), которое должно быть меньше заданного значения (t_{рег. зад.});

По графику (Рисунок 1.1) видно, что t_рег.=146 с и это значение не превышает заданного времени регулирования, которое должно быть меньше 650с.

Частота колебаний в переходном процессе, определяется числом колебаний n регулируемой величины за время регулирования (t_рег.) n=1.5.

Ниже представлены недостатки существующей системы.

В действующей системе автоматизации циркуляционной насосной станции отсутствуют исполнительные механизмы, а, следовательно, регулирование параметров системы производится в ручную при помощи заслонки установленной на трубопроводе подвода охлаждающей воды в насос, на основании данных получаемых от установленных датчиков. В случае если параметр отклоняется от нормы у оператора срабатывает световая и звуковая сигнализация. Еще одним недостатком является то, что параметры, измеряемые при помощи устаревших приборов не дают целостной картины о реальном состоянии объекта.

Из вышесказанного можно определить, что необходима модернизация системы. Она позволит автоматизировать регулирующий орган и создать целостную картину хода технологического процесса, что в свою очередь облегчит управление им и повысит скорость реагирования персонала на отклонения в системе.

2. Аналитический обзор

Патентный поиск возможных вариантов систем автоматического регулирования для данного процесса результатов не дал. В связи с этим в аналитическом обзоре представлена действующая система автоматизации.

В циркуляционной насосной станции №3 с помощью, установленных в ней насосов, техническая вода по трубопроводу перекачивается в муфту конвертера. Муфта надвигается на горловину конвертера во время продувки. Слой дыма, образующийся под нею, мешает окружающему воздуху проникнуть в газотводящий тракт. Муфта газоплотная, экранирована трубками с циркулируемой по ней технической водой. Циркулирующая вода охлаждается в насосной, водой подводимой к циркуляционному насосу. За ходом технологического процесса следит оператор, находящийся в операторской станции, с помощью системы визуализации. Технологический процесс представлен на упрощенной схеме (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1- Технологический процесс циркуляционной насосной станции

В циркнасосной № 3 установлены 8 идентичных насосов марки ГЦЭН- 146Н-М. Электронасос ГЦЭН представляет собой герметичный агрегат вертикального исполнения, состоящий из одноступенчатого центробежного насоса и встроенного асинхронного электродвигателя. Насос имеет несколько контуров водоснабжения: главный контур, автономный контур, контур охлаждения, а также контур воздухоудаления. Охлаждение электродвигателя и смазки подшипников осуществляется водой главного контура, циркулирующей в автономном контуре электронасоса.

Выносной холодильник электронасоса служит для охлаждения воды автономного контура, циркулирующей через подшипники и роторную полость электронасоса.

Особенность электронасоса ГЦЭН состоит в том, что его электродвигатель и гидравлическая часть совмещены в едином блоке и имеют общий ротор.

Статорная полость электронасоса с его обмоткой отделена от роторной полости тонкой нихромовой перегородкой, опирающейся на расточку статора.

Ротор вращается в двух радиальных подшипниках скольжения. Осевые усилия, действующие на ротор, воспринимаются двухсторонним осевым подшипником.

В качестве трущихся материалов в подшипниках используется сталь по специальной пресс-массе.

По главному контуру вода циркулирует в муфте конвертера. Количество газов, выходящих из конвертера, во время плавки меняется. Поскольку изменение выхода газов происходит неравномерно, имеют место кратковременные изменения количеств в большую и меньшую стороны. Для восприятия этих внезапных колебаний количеств газа, с которыми не могут справиться даже самые совершенные устройства для регулирования тяги, над конвертером имеется подвижная муфта.

Муфта используется в качестве буферной емкости, заполненной при продувке некоторым объемом неподвижного горячего газа.

Изменение объема (толщины слоя) в муфте характеризует колебания количества (а также температуры и состава) газа, выходящего из конвертера.

Муфта представляет собой цилиндрическую поверхность диаметром 9150 мм, выполненную из труб диаметром 57x5 мм, шагом 75 мм. Пространство между трубами заварено полосой 18x5 мм. Высота муфты 2400 мм. Верхняя часть муфты представляет горизонтальный потолок, выполненный в виде кольца из труб диаметром 57x5 с шагом 100 мм. По наружном диаметру кольцо приваривается к цилиндрической части муфты. По внутреннему диаметру (8200 мм) приваривается нож песочного затвора, выполненный из трубы 38x5 мм с приваркой к ней полосы. Жесткость соединения потолка с цилиндрической частью осуществляется с помощью косынок и ребер.

Муфта состоит из двух половин, последовательно включенных по технической воде. В процессе работы муфта поднимается и опускается на 1500 мм с помощью электромеханического привода. В связи с этим подвод и отвод технической воды осуществляется с помощью гибких металлорукавов.

В опущенном положении муфта находится во время продувки, в поднятом - в межпродувочный период. [10]

Муфта охлаждается технической водой поступающей от насоса по главному контуру. Расход технической воды 400 м³/час.

Для циркуляционной насосной станции возмущающим воздействием будет являться изменение температуры охлаждающей воды на выходе из электронасоса. В свою очередь, управляющее воздействие- изменение расхода охлаждающей воды перед статором.

На рисунке 2.2 представлена функциональная схема действующей системы автоматики циркуляционного насоса.

Рисунок 2.2 - Функциональная схема действующей системы управления циркуляционным насосом

3. Модернизация системы

.1 Разработка функциональной схемы

Функциональная схема разрабатываемой САУ циркуляционного насоса представлена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Функциональная схема САУ циркуляционного насоса

Спецификация к функциональной схеме, разрабатываемой САУ циркуляционного насоса представлена в таблице 3.1.

В разработанной системе используется:

) два датчика расхода воды:

- датчик расхода воды (11а-02) на трубопроводе подвода охлаждающей воды к холодильнику- для контроля расхода воды перед холодильником, находящемся на автономном контуре водоснабжения;

- датчик расхода воды (12а-02) на трубопроводе подвода охлаждающей воды в насос- для контроля расхода воды перед статором;

) четыре датчика температуры:

датчики температуры (6а-02 и 7а-02) на автономном контуре водоснабжения- для контроля температуры воды автономного контура на выходе и на входе электронасоса, соответственно;

датчик температуры (8а-02) на трубопроводе подвода охлаждающей воды в насос для контроля температуры охлаждающей воды перед статором;

датчик температуры (9а-02) на трубопроводе отвода охлаждающей воды из насоса- для контроля температуры охлаждающей воды на выходе из электронасоса;

) один датчик уровня (10а-02) на трубопроводе воздухоудаления для определения наличия воздуха под крышкой насоса;

) контроллер(10г) в шкафу управления- для сбора и анализа информации с датчиков и выработки необходимых сигналов на управляющие механизмы.

5) Исполнительный механизм (13а)- для открытия/закрытия заслонки на трубопроводе подвода охлаждающей воды в насос.

) Четыре манометра (1б-02, 3б-02…5б-02)- для дублирования показаний по давлению на трубопроводах и сигнализации(3б-02) в случае выхода давления за установленные пределы.

С перечисленных выше датчиков сигнал поступает на контроллер (10г).

Регулирующим воздействием в данной системе является изменение расхода охлаждающей воды перед статором электронасоса. Изменение расхода охлаждающей воды осуществляется изменением поперечного сечения трубопровода с помощью заслонки, являющейся регулирующим органом. Для управления положением заслонки используется исполнительный механизм.

Возмущающим воздействием в этой системе будет являться изменение температуры охлаждающей воды на выходе из электронасоса. Регулирование температуры осуществляется с помощью контроллера на вход которого поступают данные с датчика температуры, а с выхода выдается управляющее воздействие на исполнительный механизм, который, в свою очередь, открывает или закрывает заслонку. В зависимости от текущей температуры охлаждающей воды, контроллер выдает управляющее воздействие: на открытие заслонки (если температура воды больше заданной) или на закрытие заслонки (если температура воды меньше заданной).

Данные от других датчиков установленных на объекте так же поступают на контроллер, с которого, в последствии, передаются на ПЭВМ, установленной в операторской станции, и служат для контроля за объектом.

Для наглядности функциональную схему разрабатываемой САУ можно представить в упрощенном виде (рисунок 3.2)

Рисунок 3.2- Упрощенная функциональная схема САУ циркуляционного насоса

В данной функциональной схеме видно, что параметры объекта регулирования (циркуляционного насоса) измеряются при помощи установленных датчиков. Данные с этих датчиков поступают на контроллер, где они обрабатываются и на основании которых контроллер вырабатывает управляющий сигнал. Регулирование в системе ведется только по одному параметру- температуре воды на выходе из электронасоса, остальные параметры служат для контроля за объектом. При отклонении температуры воды на выходе из насоса от заданного значения, контроллер посылает сигнал на исполнительный механизм, в качестве которого в данной системе установлен МЭО (механизм электрический однооборотный), а тот в свою очередь поворачивает заслонку, которая связана с ним при помощи тяги. В зависимости от того понизилась или же повысилась температура воды на выходе, МЭО либо открывает, либо закрывает заслонку. Задавать параметры для системы можно с АРМ (автоматизированное рабочее место) оператора, при помощи, установленной на него системы визуализации.

.2 Обзор и выбор оборудования

Чтобы выбрать измерительные преобразователи конкретно для своего объекта, которым в данном случае является циркуляционная станция, нужно учитывать особенности системы: параметры контролируемой среды, пределы измерения; допустимая погрешность для АСУ, определяющая класс точности датчика.

) Опираясь на рабочее давление воды в системе (1,4 МПа), на возможность прямой связи с контроллером, в качестве преобразователя измерительного давления можно выбирать Метран 100 ДИ- 1160 с пределами измерений 0-4МПа.

Датчики давления Метран-100 используются для работы в системах автоматического регулирования, контроля и управления технологическими процессами и обеспечивают непрерывное преобразование измеряемых величин: избыточного давления, разности давлений, гидростатического давления нейтральных и агрессивных сред в унифицированный токовый выходной сигнал дистанционной передачи, цифровой сигнал на базе интерфейса RS-485 с протоколами обмена ICP или Modbus, цифровой сигнал на базе HART-протокола. [2]

Характеристики датчика избыточного давления Метран-100-ДИ модель 1160 (0-4 МПа) сведены в таблицу 1.

Таблица 1 - Характеристики датчик Метран-100-ДИ

Внешний вид датчика представлен на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 - Датчик давления Метран 100 ДИ

) Важные критерии при выборе датчика температуры, в данном случае, является: характеристика измеряемой среды и диапазон измеряемых температур. Исходя из этих критериев выбираем датчик ТСМТУ 101. Он имеет унифицированный сигнал на выходе, что делает возможным отказаться от использования преобразователя.

ТСМТУ используются для измерения температуры различных сред с помощью изменения сигнала первичного преобразователя температуры в унифицированный выходной сигнал с постоянным током.

Применяются для газообразных и жидких химически неагрессивных и агрессивных сред, не разрушающих материал защитного чехла. Термопреобразователи сопротивления ТСМТУ 101 диаметром D=8 мм предназначены для использования в комплекте с защитными гильзами ЮНКЖ.

Технические характеристики:

- диапазон условных давлений, МПа:

от 0 до 6.3 для ТСМТУ 101;

от 0 до 4.0 для ТСМТУ 103;

от 0.1 до 0.4 для ТСМТУ 102 (до 0.4 - ТС с передвижным штуцером).

-показатель тепловой инерции не превышает:

с - для ТС с диаметром рабочей части 10 мм;

с - для ТС с диаметром рабочей части 8 мм.

материал защитного чехла:

С10 - сталь 12Х18Н10Т;

С13 - сталь 10Х17Н13М2Т.

максимальная температура на клеммной головке:

°С (прессматериал АГ-4В).

Подходящим для разрабатываемого проекта будет являться термометр сопротивления ТСМТУ 101-100М-10-80 0-150°С, Кл.0,5. [3]

Внешний вид термометра сопротивления представлен на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4- термометр сопротивления ТСМТУ 101

) В качестве датчика уровня для данной системы, подойдет вибрационный датчик уровня FTL 51 фирмы Endress+Hauser. Основанием для его выбора послужил ряд преимуществ, которыми обладает данный датчик, таких как: идеальная адаптация к процессу, универсальность применения, наличие компактной вилки для установки в труднодоступном месте, отсутствие в необходимости калибровки, отсутствие подвижных частей, простота запуска. FTL 51 применяется для измерения предельного уровня жидкостей:

с давлением до 40 бар;

с плотностью не менее 0.5 г/см³;

с температурой от -40 °C до +150 °C;

с вязкостью до 10000 мм²/с.

Работоспособность прибора не зависит от пены на поверхности, потока среды, содержания твердых примесей. Все подверженные смачиванию части сенсора покрываются эмалью, благодаря чему прибор может применяться в жидкостях с высокой агресивностью. Варианты исполнения EEx de, EEx ia (IS) и EEx d (XP) are применяются во взрывоопасных областях.

Исходя из особенностей данного объекта, из модельного ряда был выбран вибрационный датчик уровня FTL 51- AGR2DB2G4A.[4]

Внешний вид датчика представлен на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5 - Вибрационный датчик уровня FTL 51

4) Для контроля потока охлаждающей воды нужен компактный, надежный, простой в эксплуатации датчик, подходящий под особенности данного объекта. Под эти требования подходит датчик- реле потока АТТ12 фирмы Endress+Hauser.

АТТ12 предназначен для контроля потока и обнаружения предельного потока жидкостей и газов.

Технические данные:

.Условия процесса:

Номинальные диаметры: DN25…1000;

Диапазон давления: 25 bar (в зависимости от соединения);

Диапазон температур: -10…+80 С.

.Предельные параметры:

Точность: 5% от конечного значения;

Повторяемость: 1% от конечного значения;

Время реагирования плоского сенсора: 5с при увеличении, < 5c при уменьшении;

Время реагирования зонда: 15с при увеличении, 10с при уменьшении;

Диапазон потока жидкости: 0-3 м/с (по воде);

Диапазон потока газов: 0-50 Nm/c (по воздуху).

.Электрические данные:

Электропитание: 18-30 V DC;

Потребляемая мощность: < 3 Ватт.

.Параметры окружающей среды:

Температура хранения: -20…+80 С (без жидкокристалического дисплея дисплея - LCD);

Температура эксплуатации: -10…+65 С (без жидкокристалического дисплея дисплея - LCD);

Класс защиты: для корпусов из полистирола и стали: IP66 по IEC 60529;

Вибрационная стойкость: до 1 g, 10…150Hz по IEC 60068-2-31;

Устойчивость к разрушениям: по IEC60068-2-31;

Электромагнитная совместимость (EWV): IEC 801 часть 3: Е=10В/м (30MHz…1GHz).

Исходя из особенностей данного объекта, из модельного ряда был выбран датчика- реле потока АТТ12- A11D11B4D1. [4]

Внешний вид датчика- реле потока АТТ12 представлен на рисунке 3.6.

Рисунок 3.6 - Датчика- реле потока АТТ12

Произведем выбор исполнительных устройств.

При выборе исполнительного механизма необходимо учитывать ряд факторов, таких как: условиями эксплуатации, тип применяемого регулятора, особенности монтажа, требуемое быстродействие.

Отталкиваясь от данных факторов, а так же от других особенностей объекта, можно сделать вывод, что исполнительным механизмом будет являться механизм электрический однооборотный (МЭО).

МЭО предназначен для перемещения регулирующих органов(РО) в системах автоматического регулирования (САР) технологическими процессами в соответствии с командами, поступающими от управляющих устройств. Конкретно, для рассматриваемой системы, выбирается исполнительный механизм МЭО-100/25- 0,25У- 99К, так как его технические характеристики, удовлетворяют условиям работы системы.

МЭО-100-99К перемещает РО неполноповоротного принципа действия (поворотные дисковые затворы, шаровые и пробковые краны, заслонки). Принцип работы механизма состоит в преобразовании электрического сигнала идущего от регулирующего или управляющего устройства во вращательное движение выходного вала. Они крепятся вблизи регулирующего устройства и связываются с ним посредством различных тяг и рычагов.

Состав исполнительного механизма МЭО-100-99К: - синхронный электродвигатель; - механический тормоз; - червячный редуктор; -ручной привод; -блок сигнализации положения реостатный БСПР, индуктивный БСПИ,

токовый БСПТ или блок концевых выключателей БКВ;

рычаг.

Управление исполнительным механизмом МЭО-100-99К: контактное или бесконтактное.

Тип управляющего устройства при бесконтактном управлении: пускатели ПБР-3, ПБР-3 А.

Внешний вид исполнительного механизма МЭО-100-99К приведен на рисунке 3.7.

Рисунок 3.7- Исполнительный механизм - МЭО-100-99К

Характеристики исполнительного механизма:

номинальный крутящий момент на выходном валу - 100 Нм;

номинальный полный ход выходного вала - 0,25;

потребляемая мощность- 170 Вт;

-климатические исполнения (рабочая температура)- У2 (от -30 до +50 °С), Т2 (от -10 до +50°С); -степень защиты - IP 54 по ГОСТ 14254; -режим работы механизма - S4, частота включений до 630 в час при ПВ до 25 %;

напряжение питания и частота питания - 220/380В частотой 50 Гц;

максимальная частота включений до 1200 в час при ПВ до 25 %.

Для выбранного МЭО необходим бесконтактный реверсивный пускатель.

Пускатель предназначен для бесконтактного управления электрическими исполнительными механизмами, в приводе которых использованы трехфазные электродвигатели. [5]

По функциональным возможностям пускатель имеет два исполнения: ПБР-3 и ПБР-3А. ПБР-3 обеспечивает пуск и реверс трехфазного синхронного электродвигателя. Пускатель ПБР-3А обеспечивает пуск и реверс, защиту трехфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором от перегрузки.

В данном случае, выберем пускатель типа ПБР-3А.

Технические характеристики:

максимальный коммутируемый ток - 3А;

питание - трехфазная сеть переменного тока с напряжением 220/380 V частотой 50 Hz.

Динамические характеристики пускателя:

- разница между длительностями входного и выходного сигналов - не более 20 мс;

быстродействие - не более 25 мс;

пускатель допускает работу в повторно-кратковременном реверсивном режиме с частотой включения до 630 в час;

полная мощность, потребляемая пускателем, не более 5 Вт.

Средний срок службы 10 лет.

Условия эксплуатации ПБР-3А:

температура: 5 - 50°С;

относительная влажность: 30 - 80%;

частота вибрации: до 25Гц;

амплитуда: до 0,1мм.

Произведем выбор автоматического управляющего устройства на основе ПЛК.

Для создания автоматизированной системы управления насосной циркуляционной станции необходимо внедрить в систему программируемый логический контроллер (ПЛК), который будет осуществлять все операции по сборке и обработке данных, а также выработке управляющих воздействий, в соответствии с загруженными в него программами. Контроллер должен обеспечивать четкое выполнение всех операций в режиме реального времени, а также быть удобен в эксплуатации персоналом. Учитывая эти требования, выбираем ПЛК из хорошо зарекомендовавшей себя в производстве линейки контроллеров SIMATIC S7 фирмы Siemens, так как он уже широко применяется в различных производствах ПАО «Северсталь», а следовательно на подготовку специалистов по работе с ним уйдет гораздо меньше средств.

Работа системы управления насосной циркуляционной станции базируется на получении данных с 8 контрольно-измерительных приборов (КИП), расположенных по месту, а также на формировании 1 управляющего воздействия. Среди входных и выходных сигналов есть величины как аналогового так дискретного типа, что требует использование соответствующего модуля.

Для разрабатываемого проекта отлично подойдет контроллер серии S7-300.

Преимущества S7-300:

отвечает самым жестким требованиям промышленных стандартов;

обладает высокой степенью электромагнитной совместимости;

обладает высокой стойкостью к ударным и вибрационным нагрузкам;

осуществляет быстрое выполнение команд;

имеет удобный интерфейс настройки параметров;

обладает высокой производительностью благодаря наличию

большого количества встроенных функций.-300 имеют модульную конструкцию и позволяют использовать в своем составе широкий спектр модулей самого разнообразного назначения. Все модули работают с естественным охлаждением. В зависимости от типа центрального процессора система локального ввода-вывода программируемого контроллера S7-300 может включать в свой состав до 32 модулей. В этом случае все модули контроллера располагаются в одном базовом блоке и стойках расширения, которых может быть не более 3. [1]

Модули необходимые для работы ПЛК в разрабатываемой САУ представлены в таблице 3.3.

.3 Обзор и выбор программного обеспечения

Операционные системы(ОС) устройств верхнего уровня ПТК должны удовлетворять следующим требованиям:

возможность конфигурирования под конкретные условия использования;

поддержка многозадачного режима, высокая производительность;

возможность работы с мультимедиа;

высокая степень надежности и устойчивости;

возможность стыковки с техническими средствами сторонних разработчиков (по отдельной заявке заказчика);

поддержка обменов информации по используемым в ПТК локальным сетям;

понятный и удобный пользователю графический интерфейс, эффективность и простота использования.

Рисунок 3.8- Структурная схема уровней АСУ ТП

В данном проекте как на рабочей станции, так и на сервере в качестве операционной системы используется Windows NT 4.0 фирмы Microsoft.

В качестве операционные системы для контроллера SIMATIC S7- 300 фирмы Siemens, находящегося на нижнем уровне АСУ циркуляционной станции, используется STEP 7.7 - это пакет стандартного программного обеспечения (ПО),

используемый для программирования и конфигурирования

ПЛК SIMATIC. Он является частью промышленного ПО SIMATIC.

Связь контроллера S-300 с рабочими станциями осуществляется при помощи интерфейса «Profibus DP». Связь операторских станций с сервером осуществляется при помощи мультиплексора по сети «ETHERNET» (см. рисунок 3.8)

Profibus открытый стандарт шины полевого уровня, который не зависит от конкретного производителя и предназначен для применения в рамках широкого спектра систем автоматизации производства и технологических процессов.неофициальный мировой стандарт администрированных и вычислительных сетей.

Реализация: масса микросхем самых разнообразных производителей. Базируется на стандарте IEEE 802.3

Базой данных по умолчанию является Sybase SQL Anywhere.

Она используется для хранения всех структурированных данных, представленных в виде списков, к которым относятся списки тегов, текстовые сообщения, а также для хранения текущих обрабатываемых данных, таких как сообщения, измеряемые значения, и пользовательские данные. Эта база данных функционирует в качестве сервера. WinCC может обратиться к данным через ODBC и с помощью открытого программного интерфейса (C-API), как клиент.

В качестве системы визуализации на рабочей станции в рассматриваемой системе используется программное обеспечение WinCC версия 5.1.

SIMATIC WinCC v.5.1 (Windows Control Center) - система HMI, программное обеспечение для создания человеко-машинного интерфейса, составная часть семейства систем автоматизации SIMATIC. Работает под управлением операционных систем семейства Microsoft Windows NT и использует базу данных Sybase SQL.

4. Внедрение системы

Рассмотрим монтаж датчика уровня FTL 51-AGR2LB2G4A.

Датчик уровня устанавливается сверху, на крышку насоса, для контроля наличия воздуха под ней.

Монтаж датчика FTL 51 осуществляется с использованием бобышки (рисунок 4.1)

Рисунок 4.1- Бобышка для датчика уровня

Рисунок 4.2-Установка датчика уровня FTL 51-AGR2LB2G4A

Схема подключения датчика уровня FTL 51-AGR2LB2G4A показана на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3- Схема подключения датчика уровня FTL 51

Ниже представлен монтаж термометра сопротивления ТСМТУ 101-100М-10-80.

Термометр сопротивления устанавливается на контуре охлаждения и на автономном контуре насоса, на входе и выходе из него. [3]

Установка термометров сопротивления показана на рисунке 4.4.

Рисунок 4.4 - Установка термометра сопротивления ТСМТУ 101-100М-10-80

Числовые обозначения, используемые в схемах монтажа датчиков (FTL 51-AGR2LB2G4A и ТСМТУ 101-100М-10-80) приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1- Обозначения в схемах установки датчиков

Схема подключения термометра сопротивления ТСМТУ показана на рисунке 4.5.

Рисунок 4.5- Схема подключения термометра сопротивления

Далее представлен монтаж датчика -реле потока ATT12- A11D11A4D1.

Монтаж датчика ATT12 на трубопровод производится с использованием стальной бобышки и паронитовой прокладки показанных на рисунке 4.6.

Рисунок 4.6- Бобышки и прокладка для установки датчика- реле потока

Данный датчик устанавливается на трубопровод охлаждающей воды к холодильнику и трубопровод охлаждающей воды перед статором. Установка датчика показана на рисунке 4.7.

Рисунок 4.7- Установка датчика ATT12

Схема подключения датчика- реле потока АТТ12 представлена на рисунке 4.8.

Рисунок 4.8- Схема подключения датчика АТТ12

Ниже представлен монтаж датчика избыточного давления Метран 100 ДИ.

Датчик Метран 100 ДИ устанавливается для измерения давления перекачиваемой воды на выходе из электронасоса и давления воды на холодильнике на выходе по автономному контуру. [1]

Установка датчика Метран 100 ДИ с монтажными деталями и с указанием присоединительных размеров представлена на рисунке 4.9.

Рисунок 4.9- Установка датчика Метран 100 ДИ

Схема подключения датчика Метран 100 ДИ показана на рисунке 4.10.

Рисунок 4.10- Схема подключения датчика Метран 100ДИ

Монтирование и установка контрольно-измерительной аппаратуры будет производиться в защитный, заземлённый шкаф фирмы Ritall в специально выделенном помещении - на посту оператора.

Защитный шкаф поставляют на объект в законченном для установки виде: выполнены электрические и трубные внутренние проводки (коммутация), подготовленные к подключению. Вместе с защитным шкафом Ritall поставляют крепежные изделия для сборки и установки.

Вид шкафа фирмы Ritall с контроллером Simanic S7-300 фирмы Siemens представлен на рисунке 4.11.

Рисунок 4.11 - Внешний вид шкафа фирмы Ritall

Перед установкой защитного шкафа необходимо установить все закладные детали и опорные конструкции под шкаф, а также необходимые проемы в стенах для вывода трубных и электрических проводок наружу. Шкаф устанавливается на бетонном основании, которое будет предохранять контрольно-измерительную аппаратуру, в частности контроллер от вибраций и сотрясений.

Электрические проводки от датчиков и к исполнительным механизмам вводятся в шкаф снизу и подключаются к клеммным коробкам, для этого будут использоваться защитные гильзы, так как подключения будут производиться в нормальной среде.

Монтаж контроллера начинается с установки шины в нужное положение, для этого её закрепляют винтами М6, так чтобы сверху и снизу шины оставалось не менее 40 мм. Стойка имеет по бокам четыре выреза, используемых для крепления в шкафу. Вырезы расположены в соответствии с 19-дюймовым стандартом. Затем соединяем профильную шину с защитным проводом (поперечное сечение провода 10 мм²) винтом М6. После монтажа профильной DIN-рейки выполняется установка модулей контроллера. Установка модулей начинается с установки блока питания PS, для этого модуль навешивается на DIN- рейку, сдвигается к заземляющему винту на профильной шине и закрепляется винтом. Затем следует установка CPU, для этого с последнего модуля DO снимается шинный соединитель и вставляется в CPU, после этого модуль навешивается на рейку и сдвигается в модулю расположенному слева и закрепляется винтами. Далее вставляется второй шинный соединитель в модуль DI и навешивается модуль. Остальные модули устанавливаются аналогично. [1]

На рисунке 4.12 приведён монтаж CPU на профильную шину.

Рисунок 4.12- Монтаж CPU на DIN-рейку.

В качестве исполнительного механизма в данном проекте используется МЭО 100-99К. Монтаж МЭО сочлененного с заслонкой показан на рисунке 4.13.

Рисунок 4.13- Установка исполнительного механизма типа МЭО, сочлененного с поворотной регулирующей заслонкой: трубопровод; 2- заслонка; 3- прокладка; 4,8- выходные валы; 5- рычаг; 6- тяга; 7- исполнительный механизм; 9- кривошип; 10- болт М8х20; 11- кронштейн

Схема соединений МЭО 100-99К представлена на рисунке 4.14.

Рисунок 4.14- Схема соединений МЭО 100-99К

Регулирующий орган (РО) устанавливается на прямолинейных участках трубопровода. Запорная арматура, тройники для обводной линии и прочие устройства, искажающие поток жидкости в трубопроводе должны быть удалены от клапана на расстоянии 10-15 диаметров трубопровода, как перед клапаном, так и после него.

Исполнительный механизм (ИМ) типа МЭО имеет диапазоны угла поворота выходного вала в пределах 0-90° и 0-240°. Рабочий угол поворота в этих диапазонах настраивают путем установки конечных выключателей ИМ. Для предотвращения поломки ИМ в случаях, если он не будет отключен конечным выключателем, однооборотные ИМ имеют два настраиваемых механических упора с шагом; фиксации их равным 3° в диапазоне угла поворота выходного вала. При наладке ИМ упоры устанавливают на угол, превышающий угол настройки конечных выключателей на 6-12° (по 3-6° на каждую сторону). [5]

Корпус ИМ после установки необходимо заземлить с помощью проводника сечения не менее 4 мм² через специальный болт, предусмотренный на механизме. Сечение каждой жилы внешней электропроводки должно быть не менее 1,5 мм².

5. Наладка и тестирование системы

Кривая разгона для данной системы взята на основании теоретических данных из технической литературы [8] и представлена на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1 - Кривая разгона ОУ

Динамические характеристики К_об, Т_об и τ_об находятся по графику кривой разгона (рисунок 5.1). Из этого графика находим что

К_0б=1,5(°С/% хода РО), Т_0б=37,5 с, τ_з =19,56 с.

Определим передаточной функции исполнительного устройства.

Усилительное звено определено коэффициентом усиления К_р, который для разрабатываемой системы имеет следующее значение: 0,767 (% хода ИМ/ °С)

Исполнительным механизмом в автоматизированной системе управления является механизм электрический однооборотный (МЭО-100-99К), передаточная функция которого имеет следующий вид:

W(р)=1/T_cр

Закон регулирования в общем виде описывается следующим выражением:

Т_ир/Кр(Т_ир+1)

Для выбора регулятора и расчета параметров его настройки, необходимо знать следующее:

) Динамические параметры объекта регулирования

Постоянную времени объекта управления Т_0б=37,5 с;

Максимальный в условиях эксплуатации коэффициент передачи объекта управления К_0б=1,5(°С/% хода РО);

Запаздывание τ_з =19,56 с;

) Величину максимального возможного возмущения по нагрузке в процессе эксплуатации объекта управления У_в=12%;

) Основные показатели качества переходного процесса

Максимально допустимое статическое отклонение регулируемой величины

X_ст< 1,8°С;

Максимально допустимое динамическое отклонение регулируемой величины Х_д< 8,5°С;

- Допустимое время регулирования t_рег650 c.

По этим известным величинам рассчитываем следующее

Величину обратную относительному времени запаздывания находим по формуле:

Подставив значение получим:

Допустимое относительное время регулирования находим по формуле:

Допустимый динамический коэффициент регулирования находим по формуле:

Допустимое остаточное отклонение регулируемой величины находим по формуле:

Подставим в эту формулу значения, получим:

=0,1

Выразим эту величину в процентах.

=10 %

По значению / выбираем тип регулятора.

Значению /=0,5216 соответствует непрерывный тип регулирования.

Так как показатель колебательности М =1.1, то выбираем апериодический процесс.

Пользуемся графиком зависимости от /(рисунок 5.3) при выбранном оптимальном процессе, определяем, что =0,472 при 1/=0,5216 могут обеспечить П, ПИ, ПИД-регулятора.

Выбираем ПИ- регулятор:

= 7,5*19,56

=146,7 с

< следовательно, апериодический процесс может быть реализован в САУ ПИ-регулятором.

Приближенное определение настроек регулятора произведем по следующим формулам:

Коэффициент усиления регулятора найдем по формуле (5.1).

 (5.1)

К_р= 0,767 (% хода ИМ/ °С)

Время удвоения (изодрома) найдем по формуле (5.2). [6]

 (5.2)

Т_и = 22,5 с

Система автоматического управления представляет собой совокупность объекта управления (ОУ) и автоматического регулятора взаимодействующих друг с другом определенным образом.

Передаточная функция разомкнутой системы имеет следующий вид:

где W(p)- передаточная функция разомкнутой системы;

К_об - коэффициент передачи объекта управления, (°С/% хода РО);

Т_об - постоянная времени объекта управления;

- запаздывание;

Т_и - время удвоения (изодрома);

К_р - коэффициент усиления регулятора, (% хода ИМ/ °С).

Подставим значения:

Т_об=37,5с, Т_с= 1 с, К_об=1,5(°С/% хода РО), =19,56 с, Т_и=22,5 с, К_р= 0,767(% хода ИМ/ °С).

Характеристическое уравнение разомкнутой системы будет иметь вид:

Подставим значения.

=0

Передаточная функция замкнутая системы имеет вид:

,

где - передаточная функция замкнутая системы.

Подставим значения.

Характеристическое уравнение замкнутой системы будет иметь вид:

Необходимые и достаточные условия устойчивости системы определяется с помощью критерия устойчивости Михайлова и амплитудно-фазового критерия Найквиста.

Рассмотрим определение устойчивости системы по Михайлову.

Для того, чтобы автоматическая система управления была устойчива, необходимо и достаточно, чтобы годограф Михайлова, начинаясь на положительной части действительной оси, при изменении частоты w от 0 до +, обходил против часовой стрелки n-квадрантов, поворачиваясь на угол n* не обращаясь в нуль, где n-степень характеристического уравнения. Для построения годографа Михайлова необходимо из передаточной функции замкнутой системы выделить характеристическое уравнение. Передаточная функция замкнутой системы Ф(р) определяется по следующему уравнению:

Заменив в левой части характеристического уравнения (5.3) р на jω и выделив действительную и мнимую части, получим для комплексной частотной характеристической функции Михайлова (годографа Михайлова) следующее выражение:

После приведения подобных членов получим:

Подставив значения К_об, К_р, Т_и, Т_с, Т_об, τ_з, определим значения R(ω) и Im(ω) при различных значениях ω

Расчет действительной и мнимой части производится на компьютере в программе Tarkurs. Результаты расчета сведены в таблицу 5.1.

Таблица 5.1 - Результаты вычислений

Таким образом, данная АСУ насосной циркуляционной станции №3 будет устойчива, так как годограф Михайлова, начинаясь в точке на положительной части действительной оси при изменении частоты ω от 0 до + ∞, обходит против часовой стрелки 3 квадранта, поворачиваясь на угол 3π/2 не обращаясь в нуль.

Рассмотрим определение устойчивости по критерию Найквиста.

Этот критерий позволит судить об устойчивости замкнутой АСУ по расположению АФХ разомкнутой системы.

Устойчивость системы по Найквисту определяется на основании АФХ разомкнутой системы (5.4).

Если разомкнутая системы система устойчива, то для ее устойчивости в замкнутом состоянии необходимо и достаточно, чтобы АФХ разомкнутой системы не охватывало критическую точку с координатами [-1;j0].

Если разомкнутая системы система не устойчива, то для ее устойчивости в замкнутом состоянии необходимо и достаточно, чтобы АФХ разомкнутой системы охватывало критическую точку с координатами [-1;j0] против часовой стрелки К/2 раза, где К-число корней правой полуплоскости. Устойчивость разомкнутой системы определяется на основании характеристического уравнения разомкнутой системы Ляпунова или Рауса-Гурвица.

Передаточная функция разомкнутой САУ на основании структурной схемы описывается уравнением:

Заменив в уравнении Р на jω, получим передаточную функцию АФХ разомкнутой системы:

 (5.4)

Введём обозначения:

А = Т_сТ_иТ_об ω³; Е = К_обК_рТ_иωcosωτ_з; B = ω(Т_с+Т_и);

F = K_oбK_pT_иωsinω_з; C = Т_сТ_иω²; N = K_oбK_psinω_з;

D = (T_с+Т_и)Т_обω²; К = К_обК_рcosω_з;

(5.5)

где  - действительная часть АФХ разомкнутой системы.

 - мнимая часть АФХ разомкнутой системы.

Подставив значения К_об, К_р, Т_об, Т_и, Т_им, τ_з в формулу (5.5) определим значения действительной и мнимой части АФХ разомкнутой системы при различных значениях .

Расчет действительной Re(w) и миной Im(w) части для построения АФХ производил на компьютере. Результаты вычислений сведены в таблицу 5.2.

Таблица 5.2- Результаты вычислений

Определим частотные показатели. На основании этих показателей уточняют параметры настройки регулятора.

Если при проектировании системы задается показатель колебательности М, то для его выполнения необходимо, чтобы АФХ разомкнутой системы не заходила внутрь окружности, радиус которого R, а центр окружности С. [7]

1.1/(1.1²-1)

5.238

1.1²/(1.1²-1)

5.762

По графику АФХ определяем запас устойчивости по модулю и по фазе. Запас устойчивости по фазе () должен укладываться в промежуток 40-60^о. Запас устойчивости по модулю (Н) должен находиться в рамках 0,4-0,6.

По графику получаем следующие значения

= 44⁰

Н= 0,57

Следовательно, система автоматического управления с ПИ регулятором устойчива, так как АФХ разомкнутой системы не охватывает на комплексной плоскости точку с координатами (-1;j0) и имеет запас устойчивости как по модулю, так и по фазе.

Тестирование и отладка системы производится через программу визуализации.

Программа визуализации предназначена для:

-Графического отображения собранных с контроллера данных на экране компьютера;

Автоматического контроля за состоянием контролируемых параметров и генерация сигналов тревоги и выдачи сообщений оператору в графической и текстовой форме в случае выхода их за пределы заданного диапазона;

Автоматического ведение архива трендов и событий, в котором регистрируется изменение производственных параметров.

Программа визуализации работает круглосуточно, при нормальных климатических условиях. Обращение к данным контроллера и отображение контролируемых параметров происходит не реже 1 раза в 1 с. Контроль правильности выполнения, программы визуализации происходит как при помощи пакета разработки и исполнения (WinCC Runtime) так и при помощи специального прикладного программного обеспечения (утилита Channel Diagnosis).

Вызов программы, ее отладка и исполнение происходит при помощи проблемно - ориентированного программного обеспечения WinCC версии 5.1. Для запуска программы необходимо запустить Windows Control Center 5.0: Меню «Пуск» - Simatic - WinCC - Windows Control Center 5.0. Далее необходимо открыть проект с программой визуализации: File - Open - Имя проекта. После загрузки проекта в WinCC нужно активизировать его: File - Activate. При правильной настройке и загрузке программы на экране компьютера появится главное окно программы (рисунок 5.9). При работающей программе контроллера на окнах системы визуализации должны высвечиваться реальные значения параметров работы насосов. Если произведена неправильная настройка параметров связи с контроллером то поля вывода значений параметров окрашиваются в серый цвет и показывают нулевые параметры.

Здесь на экран выведены следующие значения:

- температура воды автономного контура на входе в эл.насос в °С;

- температура воды автономного контура на выходе из эл.насоса в °С;

- температура охлаждающей воды на входе в эл.насос в °С;

- давление перекачиваемой воды на входе в эл.насос в МПа;

расход охлаждающей воды на холодильник эл.насоса в м³/ч;

- расход охлаждающей воды на статор эл.насоса в м³/ч;

При срабатывании предупредительной сигнализации - цвет фона параметра начинает моргать желтым цветом. При срабатывании аварийной сигнализации фон цвета начинает моргать красным цветом.

Заключение

В данной выпускной квалификационной работе рассматривались вопросы модернизации системы автоматического управления насосной циркуляционной станции №3 ЦСО сталеплавильного производства КЦ ЧерМК ПАО “Северсталь”.

В ходе выполнения выпускной квалификационной работы был проведен анализ действующей системы управления, выявлены её недостатки, а также возможные пути модернизации.

В соответствии с требованиями предъявляемыми к современным системам автоматического управления, а так же исходя из особенностей рассматриваемого объекта, было решено построить систему на основе программируемого логического контроллера SIMATIC S7-300 компании Siemens, с применением системы визуализации за ходом технологического процесса WinCC v 5.1. Так же для объекта выбраны необходимые датчики, показания которых дают целостную картину о ходе процесса и исполнительный механизм, при помощи которого производится регулировка выходной величины. Произведен расчет регулятора, составлена передаточная функция, и подобрано соответствующее программное обеспечение для уровней АСУ ТП. Кроме того, было проведено исследование системы на устойчивость, с помощью критерия устойчивости Михайлова и амплитудно-фазового критерия Найквиста, в результате которого было определено, что система является устойчивой. Обобщая проделанную работу, можно констатировать, что реализация работ по модернизации АСУ насосной циркуляционной станции на базе аппаратуры промышленного назначения фирмы «Siemens (SIMATIC S7-300)» на сегодняшний день является наиболее приемлемым решением, позволяющим экономить временные и трудовые затраты, а также снизить аварийность технологического процесса.

Список использованных источников

1.      Котов К.И., Шершевер М.А. Автоматическое регулирование и регуляторы. Учебник для техникумов. - Москва: Металлургия, 1987. - 384 с.

.        Теория автоматического управления: Учебник для ВУЗов/ Под ред. Ю.М. Соломенцева. - Москва: Высшая школа, 1999. -286 с.

.        ТИ 05757854-СТКК-01-2001. Насосные установки и их эксплуатация: утв. Начальником отдела АСУ ТП 12.03.2001. - Введ.27.04.2001 - Череповец: ПАО Северсталь, 2001. - 203с.

.        Тритенко А.Н. Методические рекомендации по оформлению выпускных квалификационных работ, курсовых проектов/работ для студентов очной, очно-заочной (вечерней) и заочной форм обучения: учеб. пособие / А.Н. Тритенко, Сафонова О.В - Вологда: 2015 -75 с.

. Электронасосы ГЦЭН 146П-СМ и ГЦЭН 146П-СМС. Техническое описание и инструкция по эксплуатации: 146- 00-ИЭБ-СМС: утв. Директором НТЦ «ЭНЕРГОНАСОС ЦКБМ» 23.01.95 - Введ. 14.02.95.- Череповец: ОАО «Северсталь» УМиА,1995.- 62с.

Приложение 1

Комплектация шкафа Ritall

Приложение 2

Монтажная схема контроллера

Приложение 3

Принципиальная электрическая схема соединений