Технические средства автоматизации
РОСОБРАЗОВАНИЕ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
« ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ»
Факультет «Институт промышленных технологий»
Кафедра «Автоматизация и управление»
Технические средства автоматизации
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
Проверил: к. т. н. доцент
Введение
1.Паровой котёл Е-1,0-0,9Г3
2. Модернизация котла путем замены системы автоматики
3. Котел как объект автоматизации
4.Цель создания системы автоматизированного управления котлом, ее назначение, задачи управления
5.Структура, техническое и программное обеспечение САУК
6.Реализация архитектуры MAXQ2000
7.Программирование в среде MAXQ
Заключение
Литература
Автоматизация -это применение комплекса средств, позволяющих осуществлять производственные процессы без непосредственного участия человека, но под его контролем . Автоматизация производственных процессов приводит к увеличению выпуска, снижению себестоимости и улучшению качества продукции, уменьшает численность обслуживающего персонала, повышает надежность и долговечность машин, дает экономию материалов, улучшает условия труда и техники безопасности.
Автоматизация освобождает человека от необходимости непосредственного управления механизмами. В автоматизированном процессе производства роль человека сводится к наладке, регулировке, обслуживании средств автоматизации и наблюдению за их действием. Если автоматизация облегчает физический труд человека, то автоматизация имеет цель облегчить так же и умственный труд. Эксплуатация средств автоматизации требует от обслуживающего персонала высокой техники квалификации.
По уровню автоматизации теплоэнергетика занимает одно из ведущих мест среди других отраслей промышленности. Теплоэнергетические установки характеризуются непрерывностью протекающих в них процессов. При этом выработка тепловой и электрической энергии в любой момент времени должна соответствовать потреблению(нагрузке).Почти все операции на теплоэнергетических установках механизированы, а переходные процессы в них развиваются сравнительно быстро. Этим объясняется высокое развитие автоматизации в тепловой энергетике.
1.Паровой котёл Е-1,0-0,9Г3
Паровой котёл Е-1,0-0,9Г принадлежит к типу вертикально-водотрубных двухбарабанных газоплотных котлов.
Предназначен для выработки насыщенного пара давлением 0,8 МПа, используемого для производственных нужд промышленности и сельского хозяйства.
Система автоматического управления обеспечивает выполнение следующих функций:
Поддержание в заданных пределах уровня воды в котле;
Защиту котла при повышении давления пара выше допустимого, спуске воды ниже низшего аварийного уровня, коротком замыкание или перегрузке электродвигателей;
Подачу звуковой сигнализации при падении уровня воды ниже низшего аварийного уровня, уровня воды в котле выше верхнего аварийного уровня, повышении давления пара выше допустимого;
Световую сигнализацию положения уровня воды и наличия напряжения в сети;
Технические характеристики парового котла Е-1,0-0,9Г3 (топливо-газ) :
Наименование параметров
1 Номинальная производительность, т/ч 1,0
2 Рабочее давление пара, МПа 0,8
3 Влажность насыщенного пара, % 3
4 Расчётная температура насыщенного пара, С 174,5
5 Расчётное топливо и его теплота сгорания, МДж/кг природный газ 35,59
6 Расход топлива: газ, м3/ч 86/82
7 Объём топочного пространства, м3 2,2
8 Диаметр труб, мм 51х4
9 Коэффициент полезного действия, %, не менее 87
10 Установленная электрическая мощность, КВт 6,0
11 Температура питательной воды, 0С 50
12 Масса котла, кг 4300
2. Модернизация котла путем замены системы автоматики
Котел как объект автоматизации. Цель создания системы автоматизированного управления котлом (САУК), ее назначение, задачи управления. Структура, техническое и программное обеспечение САУК
На предприятиях промышленности и ЖКХ, где требуется большое количество тепловой энергии в виде пара и горячей воды, котельные оборудованы разнообразными паровыми и водогрейными котлами, произведенными 30 и более лет назад.
Для управления процессами котлы комплектовались системами, построенными на основе средств релейно-контактной автоматики, которые к настоящему времени морально и физически устарели. Моральное старение связано с тем, что системы, построенные на основе подобной автоматики, не удовлетворяют требованиям, предъявляемым потребителем к точности регулирования параметров технологических процессов и степени автоматизации процессов управления: розжига и останова, автономной работе, непрерывного контроля текущих значений регулируемых параметров, уровню диспетчеризации. Кроме того, такие системы автоматики не отвечают требованиям существующих СНиПов и правил безопасности. Физическое старение указанных систем обусловлено износом элементов, на основе которых построены системы.
В процессе эксплуатации котлов, оснащенных релейно-контактной автоматикой, нередко возникают аварийные режимы. Для определения предаварийных режимов необходим определенный уровень квалификации обслуживающего персонала, а своевременное регулирование процесса производства тепловой энергии требует постоянного наблюдения за параметрами процесса со стороны оператора. Конечно, промышленность и сейчас выпускает широкий диапазон водогрейных и паровых котлов. Но, к сожалению, большинство систем автоматики, поставляемых в комплекте с котельными установками, по-прежнему реализовано на основе релейно-контактных элементов. Кроме того, большое количество котельных установок, эксплуатируемых практически во всех регионах России, имеют еще достаточный запас ресурса, их полная замена не оправданна.
Для продления сроков службы котлов, эксплуатирующие предприятия вынуждены оснащать агрегаты системами автоматизированного управления в основном импортного производства. Такое оборудование имеет высокую стоимость и, как правило, требует дорогого сервисного обслуживания. Наряду с этим постепенное удорожание топлива потребовало наиболее рационального и вместе с тем эффективного использования энергоресурсов.
В результате возникла необходимость оснащения котлов высоконадежными и быстродействующими системами автоматики, в основе которых используются последние достижения в области микроэлектроники и программного регулирования процессов.
Появление на мировом рынке большого разнообразия быстродействующих и высоконадежных микроконтроллеров для промышленной автоматизации, предназначенных для продолжительной работы в различных условиях, а также развитые компьютерные технологии позволяют создавать системы управления процессами, способные функционировать в автономном режиме.
Внедрение систем автоматизированного управления паровыми и водогрейными котлами, построенных на основе программируемых контроллеров, позволяет автоматизировать процесс производства тепловой энергии в котлах и значительно упростить контроль и управление этим процессом. Применение указанной системы повышает эффективность функционирования котлоагрегата за счет снижения потребления энергоресурсов, рационального сжигания топлива, использования технологического оборудования, оперативного управления оборудованием и технологическим процессом.
Кроме того, внедрение таких систем позволяет снизить влияние человеческого фактора в производственном процессе и вероятность возникновения аварийных режимов функционирования котла, повысить экологические характеристики котельной и культуру производственного процесса. Благодаря программному управлению система автоматически отслеживает все параметры текущих процессов, реализуемых водогрейными и паровыми котлами, и управляет технологическим оборудованием, обеспечивая нормальное и безаварийное функционирование котельной установки. Кроме того, система контролирует исправность оборудования и при возникновении поломок и аварийных ситуаций сигнализирует об этом обслуживающему персоналу.
3. Котел как объект автоматизации
Для создания автоматизированной системы управления процессами выработки пара и горячей воды, реализуемыми паровыми и водогрейными котлами, в первую очередь необходимо определить цель создания системы и ее назначение, а также провести обследование котла и его технологического оборудования как объекта предстоящей автоматизации. В процессе обследования надо составить перечень технологического оборудования, указать на его исправность, определить режимы работы и эксплуатационные характеристики: энергопотребление, вид топлива, производительность и др., а также контролируемые и управляемые параметры, перечень критических и опасных значений параметров процесса.
В качестве примера приведем обследование наиболее сложного в управлении объекта автоматизации – парового котла, представляющего собой довольно сложный технологический агрегат с большим количеством контролируемых и управляемых параметров.
Функционально котел и его оборудование можно разделить на несколько частей (рис. 1):
• система подачи топлива;
• система подачи воздуха;
• горелочные устройства;
• топка;
• система подачи воды;
• барабан котла.
Рис. 1. Функциональная схема котла
Котел имеет следующие режимы функционирования:
• розжиг;
• основной режим;
• останов.
Анализ режимов работы показал, что наиболее сложным с точки зрения управления является основной режим с динамически изменяющимися нагрузками и исправность котла во многом зависит от уровня давления пара и количества воды в барабане котла. Рассмотрим механизм ситуаций, в которых превышения этими параметрами предельных значений приводят к неисправностям котла.
При нормальном течении процесса уровень воды в барабане котла уравновешен давлением подпитки котла водой и давлением пара. При этом он находится выше среза экранных труб, стенки которых
охлаждаются циркулирующей в них водой. Вследствие создания чрезмерно высокого давления в барабане котла уровень воды может снизиться ниже допустимого предела, при котором не обеспечивается циркуляция воды. В результате нарушения циркуляции воды в экранных трубах происходят чрезмерное повышение температуры и пережог их стенок.
Снижение давления пара также может привести к выводу из строя агрегата. В результате резкого снижения давления возможен заброс воды в пароперегреватель, что вызовет выход его из строя.
В связи с этим к точности поддержания заданных значений давления пара и уровня воды в барабане предъявляются высокие требования. Регулирование давления в барабане котла и питания котельных агрегатов главным образом сводится к поддержанию материального баланса между отводом пара и подачей воды.
Исправность котельного агрегата во многом определяется качеством регулирования уровня воды. Параметром, характеризующим баланс, является уровень воды в барабане котла. Барабанам котла с естественной циркуляцией присуща значительная аккумулирующая способность, которая проявляется в переходных режимах. Если в статическом режиме положение уровня воды в барабане котла определяется состоянием материального баланса, то в динамике на положение уровня влияет большое количество возмущений. Основными из них являются изменения:
• подачи воды в котел;
• паросъема котла при изменении нагрузки потребителя;
• паропроизводительности при изменении нагрузки топки;
• температуры воды, подаваемой в котел.
Кроме того, частые и резкие изменения подачи воды в котел могут вызвать значительные температурные напряжения в металле экономайзера, и качество поддержания уровня также определяется равномерностью подачи воды.
Наряду с этим создание необходимого давления пара в котле и его поддержание на заданном уровне обеспечиваются созданием соответствующих температурных режимов. Они достигаются сжиганием некоторого количества топлива. В свою очередь процесс сжигания также имеет критические моменты. Химическая сторона горения топлива представляет собой реакцию окисления горючих элементов молекулами кислорода. Для горения используется кислород, находящийся в атмосфере. Воздух в топку подается в определенном соотношении с газом посредством дутьевого вентилятора. Соотношение газ–воздух составляет примерно 1 : 10.
При недостатке воздуха в топочной камере происходит неполное сгорание топлива, и несгоревший газ выбрасывается в атмосферу, что ведет к снижению экологических характеристик котельной и нерациональному использованию топлива. Избыточная же подача воздуха в топочную камеру приводит к полному сгоранию топлива. Однако при этом происходит охлаждение топки, что также снижает эффективность агрегата. Кроме того, остатки кислорода и азот, присутствующий в воздухе, будут образовывать двуокись азота, что также недопустимо, поскольку это соединение вредно для человека и окружающей среды. Поэтому регулирование подачи воздуха для сжигания топлива необходимо как физически, так и экономически.
Вместе с тем отсутствие разряжения в топке приводит к обгоранию горелок и нижней части топки, дымовые газы при этом пойдут в помещение цеха, что сделает невозможной работу обслуживающего персонала. Таким образом, создание и поддержание разряжения в топке котла является необходимым условием для поддержания топки под наддувом.
Кроме того, подготовка котла к розжигу представляет собой довольно трудоемкий и кропотливый процесс, при котором проводятся проверка исправности технологического оборудования и многочисленные замеры параметров. Результаты подготовительного процесса определяют возможность запуска и использования котла по назначению, так как исправность котла и его безопасность обусловливаются обеспечением поддержания на заданном уровне необходимых параметров процесса.
Таким образом, нормальное протекание процесса, реализуемого паровым котлом, требует выполнения множества условий, и несоблюдение хотя бы одного из них может вызвать аварийную ситуацию и выход из строя дорогостоящего оборудования. Все это обусловливает необходимость постоянного слежения за параметрами и немедленного реагирования на отклонение их от нормы.
4.Цель создания системы автоматизированного управления котлом, ее назначение, задачи управления
Все вышесказанное определяет цель создания системы – обеспечение оптимальных производственно-экономических, технологических и технических параметров работы котла.
Система предназначена для автоматического контроля параметров и оперативного управления технологическим оборудованием в зависимости от значений параметров процесса производства тепловой энергии в котлах во всех режимах функционирования.
Исходя из вышесказанного, определяется ряд задач, которые должна решать система автоматизированного управления котлом (САУК) и его технологическим оборудованием в различных режимах эксплуатации.
При подготовке котла к запуску система должна осуществлять:
• проведение проверок исправности технологического оборудования;
• проведение замеров параметров.
При запуске котла:
• проверку контроля герметичности запорной арматуры при использовании в качестве топлива газа;
• наполнение котла водой до требуемого уровня;
• проверку соответствующего давления подачи топлива на горение;
• подачу воздуха на горение и создание соответствующего давления подачи воздуха;
• создание соответствующего разряжения в топке;
• подачу топлива и розжиг.
При функционировании котла в основном режиме система должна осуществлять контроль и регулирование:
• давления пара;
• уровня воды в котле;
• подачи воздуха на горение;
• разряжения в топке.
При останове котла системой производится прекращение:
• подачи топлива;
• подачи воздуха на горение;
• создания разряжения в топке.
Для предотвращения вывода из строя котла и обеспечения безопасности САУК должна блокировать розжиг котла в следующих случаях:
• при обнаружении неисправности оборудования и нарушении герметичности клапанов горелок;
• при недопустимом давлении топлива на вводе;
• при недопустимом пониженном или повышенном уровне воды в барабане котла;
• при отсутствии необходимого разряжения в топке.
Для предотвращения вывода из строя котла и обеспечения безопасности САУК должна инициировать срабатывание защит и прекращение подачи топлива к горелкам при определении следующих критических параметров:
• повышенном или пониженном давлении топлива перед горелками;
• недопустимых отклонений в подаче воздуха для сжигания топлива;
• недопустимом снижении разряжения в топочном пространстве;
• повышенном давлении пара в барабане котла;
• повышенном или пониженном уровне воды в барабане;
а также при:
• погасании факелов горелок;
• неисправности цепей защиты, включая исчезновение напряжения;
• неисправности датчиков, участвующих в процессах регулирования подачи газа, уровня воды в барабане, разрежения, подачи воздуха.
5.Структура, техническое и программное обеспечение САУК
Для решения указанных задач автоматизированная система должна выполнять следующие функции:
• автоматический сбор значений параметров технологических процессов;
• анализ значений контролируемых параметров технологических процессов;
• автоматическое управление параметрами технологических процессов;
• определение внештатных ситуаций.
Из анализа возложенных на систему управления функций становится ясно, что для обеспечения сбора значений параметров технологических процессов котельный агрегат и его технологическое оборудование должны быть оснащены датчиками, а для управления параметрами – исполнительными устройствами. Конечно же, для осуществления анализа значений контролируемых параметров, формирования управляющих воздействий, определения внештатных ситуаций необходимо вычислительное устройство – автоматический регулятор, обеспечивающий сравнение полученных значений параметров со значениями параметров нормального течения процесса – уставок.
На основе результатов сравнения регулятор обеспечивает формирование управляющих воздействий на исполнительные устройства с целью компенсации отклонений и восстановления значений параметров, соответствующих нормальному течению процесса.
Для оснащения котла и технологического оборудования датчиками и исполнительными механизмами необходимо составить перечень контролируемых параметров с указанием их максимальных и минимальных значений, соответствующих нормальному, неаварийному функционированию оборудования. Далее следует составить схему формирования управляющих воздействий системы при изменении значений параметров, снимаемых с датчиков, и выходе этих параметров за пределы минимальных и максимальных значений. Имея перечни входных и выходных сигналов, критических и опасных значений параметров процесса, а также схему формирования управляющих воздействий системы нетрудно составить алгоритм работы системы.
Из составленного перечня легко определяются состав и типы датчиков – аналоговые или дискретные, а из схемы – состав и типы исполнительных механизмов.
Как было сказано выше, для управления процессами САУК в своем составе должна иметь регуляторы давления пара, уровня воды в котле, подачи воздуха на горение и разряжения в топке.
Поддержание давления пара может осуществляться регулированием подачи топлива на сжигание с использованием в качестве исполнительных устройств клапанов, ограничивающих подачу топлива в горелку.
Для поддержания уровня воды в котле в качестве исполнительных устройств также могут использоваться клапаны, которые будут перекрывать подачу воды в котел при наполнении котла до отметки максимального уровня и соответственно разрешать подачу воды при снижении уровня.
Регулирование подачи воздуха и поддержание разряжения в топке могут осуществляться изменением частоты вращения соответствующих вентиляторов. Наиболее качественное регулирование подачи воздуха достигается применением частотного преобразователя. Кроме того, использование частотного преобразователя для регулирования частоты вращения вентилятора приводит к снижению потребления электроэнергии вентилятором, а с учетом мощности электродвигателя – и к значительной экономии. Функциональные схемы регуляторов приведены на рис. 2, 3, 4, 5.
Рис. 2. Функциональная схема регулирования давления пара
Рис. 3. Функциональная схема регулирования уровня воды в барабане
Рис. 4. Функциональная схема регулирования подачи воздуха
Рис. 5. Функциональная схема регулирования разряжения в топке
С учетом этого функциональная схема системы управления выглядит следующим образом (рис. 6). Конечно же, это упрощенная схема.
Рис. 6. Функциональная схема автоматической системы регулирования
В реальности система должна отслеживать более 50 параметров и управлять более чем 20 устройствами, а также предусматривать сигнализацию (предупреждение машинисту котла) о выходе параметров за установленные пределы и сигнализацию о срабатывании защит, действующих на останов котла. А для предотвращения вывода из строя котла в случае возникновения опасных ситуаций алгоритм работы системы должен предусматривать защиту, реализуемую прекращением подачи топлива на горение. Эти требования обусловлены невозможностью одновременного отслеживания оператором всех параметров функционирующего.
6.Реализация архитектуры MAXQ2000
Рассмотрим микроконтроллер MAXQ2000 для системы автоматизированного управления паровым котлом.
Отличительные особенности:
-высокопроизводительное, мало-потребляющее 16-битное RISC ядро
-рабочая частота 0...20 МГц, примерно 1 MIPS на МГц
-напряжение питания ядра 1.8 Вольта, линий ввода/вывода 3 Вольта
-33 команды, большинство выполняются за один такт
-три независимых указателя данных с автоматическим увеличением/уменьшением
-16-уровневый аппаратный стек
-16-битные команды, 16-битная шина данных
-шестнадцать 16-битных регистров общего назначения
-оптимизирован для С-компилятора (высокая скорость/большой размер кода)
-память программ и данных
-32К слов FLASH или ROM (для крупносерийного производства)
-10000 циклов записи/стирания FLASH памяти
-1К слов внутренней RAM
-JTAG интерфейс и последовательный загрузчик для внутрисхемного программирования
Периферия
-до 50 линий ввода/вывода
-драйвер 132-сегментного ЖКИ
-интерфейсы SPI и 1-Wire
-два UART
-однотактный 16х16 аппаратный умножитель/делитель с 48-битным аккумулятором
-три 16-битных программируемых таймеров/счетчиков
-32-битные, бинарные часы реального времени
-программируемый сторожевой таймер
Интерфейс программирования
-встроенный загрузчик для простоты программирования
-возможность программирования в системе посредством JTAG интерфейса
-поддержка программирования FLASH памяти в устройстве пользователя
сверхмалое энергопотребление
190 мкА при обращении к FLASH памяти на 8 МГц и 2.2 Вольта
-700 нА (тип.) в режиме останова.
Семейство микроконтроллеров MAXQ™ производства MAXIM®/Dallas Semiconductor – это высокопроизводительные 16-битные RISC-контроллеры, идеальные для применения в устройствах с автономным питанием и обработкой смешанного сигнала. Разработанная для малошумящих операций, архитектура MAXQ объединяет высокоточные аналоговые функции с цифровыми компонентами, что приводит к уменьшению количества используемых ИС.
MAXQ использует гарвардскую архитектуру памяти для хранения данных, кодов и регистрового пространства на раздельных шинах. Основное преимущество этой архитектуры – переменная длина слова, что позволяет использовать системные и периферийные регистры шириной 8 или 16 бит. В типичном контроллере MAXQ применена 16-битная память данных, кодов и регистров. Поскольку длина командного слова в MAXQ составляет 16 бит, в микроконтроллере всегда задействована 16-битная шина команд. Другое преимущество гарвардской архитектуры заключается в том, что доступ к памяти всегда осуществляется с использованием регистров. Это позволяет реализовать прямой доступ к памяти со стороны периферийных устройств – таких как АЦП и аппаратные сопроцессоры.
