Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Барабанний котел

ЗМІСТ

Постановка задачі автоматизації ТОУ

Характеристика ТОУ
Огляд і аналіз сучасних АСУ ТОУ
Ідентифікація ТОУ і моделювання САР
Опис функціональної структури АСУ ТОУ
Опис вимог до реалізації функцій АСУ ТОУ
Вибір програмної і апаратної платформи АСУ ТОУ

Проектування АСУ ТОУ

2.1 Структура ПТКЗА

2.2 Виконавча апаратура

2.3 Технологічний контроль

2.4 Рішення з контролерної автоматизації

2.5 Рішення з супервізорної автоматизації

2.6 Реалізація автоматичного регулювання на ПЛК

2.7 Реалізація сигналізації, блокувань і захистів на ПЛК

2.8 Монтаж і обслуговування засобів автоматизації

3) Розрахунок і моделювання АТК

3.1 Розрахунок виконавчих каналів АТК

3.2 Розрахунок вимірювальних каналів АТК

3.3 Розрахунок надійності функціонування АСУ

3.4 Імітаційне моделювання і аналіз функціонування АТК

4) Розрахунок динаміки АСУ

5) Охорона праці

6) Економічна частина

7) Висновок

8) Список використанної літератури

Вступ

Враховуючи, що автоматизація процесів горіння дає до 10 % економії палива, стає ясним підвищений інтерес до комплексної автоматизації котелень.

Комплексна автоматизація котелень може бути найбільше успішно здійснена лише при наявності високонадійних, універсальних засобів автоматизації.

Собівартість теплової енергії в котельнях 60 – 70 % становлять витрати на паливо. Витрата палива, що витрачається на одержання пари й гарячої води для теплопостачання промислових підприємств, становить значну частку в тепловому балансі країни. У зв'язку із цим найважливішим завданням є зниження питомої витрати палива.

Автоматизація – це використання комплексу засобів, дозволяючих здійснити виробничі процеси без посередньої дії людини, але під її наглядом. Автоматизація виробничих процесів приводить до збільшення випуску, зниженню собівартості і покращенню якості продукції, зменшує чисельність обслуговуючого персоналу, підвищує надійність і довговічність машин, дає економію матеріалів, покращує умови праці і техніки безпеки.

Автоматизація звільняє людину від необхідності безпосереднього управління механізмами. В автоматизованому процесі виробництва роль людини до налагодження, регулювання, обслуговування засобів автоматизації і спостереженню за їх діями. Якщо автоматизація полегшує фізичну працю людини, то автоматизація має мету полегшити також розумову працю. Експлуатація засобів автоматизації потребує від обслуговуючого персоналу високої техніки кваліфікації.

По рівню автоматизації теплоенергетика займає одне з ведучих місць серед інших галузей промисловості. Теплоенергетичні установки характеризуються безперервністю протікаючих в них процесів. При цьому виробництво теплової і електричної енергії в будь-який момент часу повинна відповідати споживанню (навантаженню). Майже всі операції на теплоенергетичних установках механізовані, а прехідні процеси в них розвиваються порівняно швидко. Цим пояснюється високий розвиток автоматизації в тепловій енергетиці.

Постановка задачі автоматизації ТОУ

1.1.Характеристика ТОУ

Принципова технологічна схема барабанного парогенератора показана на мал. 1.1. Процес паротворення відбувається в піднімальних трубах циркуляційного контуру 2 опускних труб, що заповнюються водою з опускних труб 3, й екрануючих камерну топку 1, у якій спалюється паливо QТ. Для підтримки процесу горіння з певним коефіцієнтом надлишку в топку подається за допомогою вентилятора ДВ повітря Qb, попередньо нагріте у повітропідігрівнику 9.

Рис. 1 Принципова технологічна схема барабанного парогенератора

Утворені в результаті процесу, продукти згоряння (димові гази) QГ відсмоктуються з топки димососом , проходять через поверхні нагрівання водяного економайзера 4 і повітронагрівача 5 і видаляються в атмосферу через димар. Насичена пара з барабана 8 перегрівається до необхідної температури в пароперегрівнику 7 за рахунок радіації факела й конвективного обігріву топковими газами.

Технічний опис

Технічні характеристики котла ГМ-50-5:

Продуктивність,	5 т/год
Тиск в барабані котла,	15 кгс/см²
Тиск пари перед головною паровою засувкою,	13 кгс/см²
Температура перегрітої пари,	250⁰С
Температура живильної води,	100⁰С
Витрата газу з калорійністю 8490 ккал/нм³,	350 м³/год
Температура живильної води за ВЕ,	143⁰С
Температура гарячого повітря	201⁰С
Коефіцієнт надлишку повітря в топці	1,15
Коефіцієнт надлишку повітря у відхідних газах	1,35
Температура газів за конвективним пучком	507⁰С
Температура газів за пароперегрівачом,	297⁰С
Температура газів за ВЕ,	297⁰С

1.2 Огляд і аналіз сучасних АСУ ТОУ

Оскільки топка котла як об’єкт управління є досить складним агрегатом, то на сьогоднішній день з метою якнайкращої їх автоматизації використовують окремі АСУ для регулювання та сигналізації кожного важливого параметра. До них відносять зокрема наступні:

Температури в верхній та нижній частині топки котла;
Температури продуктів згорання;
Тиск димових газів;
Температура палива та повітря, що подається на пальники та ін. [3].

Всі вищевказані АСУ повинні виконувати вимоги, що до них пред’являються та працювати як єдине ціле – як висновок, всі АСУ об’єднуються на супервізорному рівні управління для якомога якіснішого функціонування.

Окрім очевидних вимог щодо температури металічних заготовок на виході з печі та рівномірного прогрівання заготовок (задля недопущення виникнення внутрішніх напружень всередині заготовок), до сучасних АСУ нагрівальних печей висувають і наступні вимоги:

зниження температури відхідних продуктів згорання шляхом збільшення ступеня використання їх теплоти в робочому просторі;
вдосконалення технологічних режимів нагріву живильної води;
покращення енергозбереження при роботі котла;
максимально можлива екологічність в роботі котла;

Якщо розглядати безпосередньо АСУ температурою в топці котла, то можна зробити висновок, що для забезпечення всіх вищевказаних вимог її можна реалізувати на базі програмно-технічного комплексу у складі дворівневої одноконтурної автоматичної системи управління. Нижній рівень (контрлерний) має бути реалізовано з використанням сучасних засобів автоматизації (контролер, інтелектуальні датчики, виконавчі та регулюючі механізми з хорошими динамічними властивостями та високим ступенем надійності). Верхній рівень (супервізорний) має бути реалізований наглядною, високонадійною HMI/SCADA-системою зі зрозумілим інтерфейсом та гнучкою системою управління технологічним процесом .

Ідентифікація ТОУ і моделювання САР

Цей об’єкт належить до об’єктів з самовирівнюванням. Такий об’єкт апроксимується послідовним з’єднанням ланки транспортного запізнення та аперіодичної ланки першого порядку передавальні функції яких W_т(s) та W_ап(s) відповідно.

W_т(s)=

W_ап(s)=

Послідовному з’єднанню відповідає перемноження передаточних функцій, тому передаточна функція об’єкта управління має вигляд:

W_об(s)= W_т(s)×W_ап(s) = ×

де s – оператор Лапласа.

Розрізняють криву розгону та перехідну характеристику об’єкта.

Крива розгону - це реакція об’єкта на ступінчасте збурення деякої величини.

Перехідна характеристика - реакція об’єкту на одиничне ступінчате збурення.

На практиці, в більшості випадків отримують криву розгону, а потім її перераховують у перехідну характеристику.

В цій роботі параметри передавальної функції візьмемо з літератури.

Параметри передавальної функції моделі:

Передавальна функція моделі:

W_об(s)=

Перехідна характеристика моделі при одиничному ступінчастому збуренні зображена рис.6.

Рис.6

В даній роботі прийнято схему зображену на рис.7 АСУ температури в топці барабанного котла:

Рис. 7 Принципова схема управління температури

Принцип управління температурою в топці барабанного парового котла кількості палива та повітря, яке подається в топку котла. Тобто в залежності від того яка кількість та якість палива, ми подаємо різну кількість повітря. Сигнал від термопари подається на контролер ОВЕН ПЛК 150, який на вихід подає сигнал розбалансу. Далі цей сигнал поступає на пускач безконтактний реверсивний, який керує роботою виконавчого механізму МЕО, а той в свою чергу положенням регулюючого органу.

Якщо розглядати безпосередньо АСУ температурою в топцы барабанного котла, то можна зробити висновок, що для забезпечення всіх вищевказаних вимог її можна реалізувати на базі програмно-технічного комплексу у складі дворівневої одноконтурної автоматичної системи управління. Нижній рівень (контрлерний) має бути реалізовано з використанням сучасних засобів автоматизації (контролер, інтелектуальні датчики, виконавчі та регулюючі механізми з хорошими динамічними властивостями та високим ступенем надійності). Верхній рівень (супервізорний) має бути реалізований наглядною, високонадійною HMI/SCADA-системою зі зрозумілим інтерфейсом та гнучкою системою управління технологічним процесом.

Опис функціональної структури АСУ ТОУ

Функціонально автоматична система управління є дворівневою, тобто поділяється на нижній рівень – контролерний, а також верхній рівень – супервізорний [4].

Обгрунтування необхідності використання АСУ саме такої конфігурації більш детально розглянуте у п.1.2 «Огляд і аналіз сучасних АСУ ТОУ».

Усі функції автоматичної системи управління, що розглядається в даній роботі, поділяються на інформаційні, керуючі та допоміжні. Основна частина інформаційних функцій реалізується верхнім рівнем АСУ ТОУ. Ним у даному випадку виступає HMI/SCADA-система Wonderware InTouch. До інформаційних функцій можна віднести:

Алармування та сигналізація про вихід режимних параметрів за вказані межі (в реальному часі);
Історичне алармування та сигналізація про вихід режимних параметрів за вказані межі;
Повне анімоване відображення технологічної схеми ТОУ;
Відображення «домашнього» вікна з функцією захисту від неавторизованого доступу (авторизація здійснюється при вході в систему);
Можливість ознайомлення обслуговуючого персоналу з інструкцією по контролю за перебігом технологічного процесу, можливість перегляду відео інструктажу з правил техніки безпеки;
Можливість ознайомлення оператора АСУ з трендами основних параметрів у реальному часі;
Можливість ознайомлення оператора АСУ з історичними трендами основних параметрів та ін. [4];

Керуючі функції розподілені між супервізорним та контролерним рівнями АСУ. Безпосередньо задачами контролю параметрів в необхідних для нормального перебігу технологічного процесу межах займається контролерний рівень. Він реалізує управління температурою в зварювальній зоні методичної печі за рахунок зміни витрати коксо-домінної суміші на пальниках за рахунок відкриття/закриття поворотної заслінки, встановленої на газопроводі на певний кут. Супервізорно реалізується функція задавача, тобто оператор має змогу задати необхідне значення температури прямо зі

свого робочого місця за допомогою HMI/SCADA-системи Wonderware InTouch, яка в свою чергу обмінюється даними з контролером. Виходячи з вимог до контролерного рівня автоматичної системи управління мною було підібрано контролер Овен ПЛК150 [6].

Обмін даними між нижнім та верхнім рівнями автоматичної системи управління реалізований за допомогою ОРС-протоколів обміну [4].

Опис вимог до реалізації функцій АСУ ТОУ

В даному пункті розглянемо вимоги, що висуваються до основних функцій АСУ ТОУ.

Основні функції автоматичної системи управління будь-яким технологічним об’єктом управління наступні:

Інформаційна функція;
Захисна функція;
Керуюча функція;

Найвищі вимоги висувають до захисної функції. Вона забезпечує мінімізацію вірогідності виникнення аварійної ситуації на об’єкті, яка може призвести до значних збитків, або що ще гірше – до травмування чи загибелі обслуговуючого персоналу. Основні способи задоволення потреб у високій надійності захисної функції – підбір надійного відмово стійкого обладнання та реалізація резервування. Щодо останнього способу, то він поділяється на три підтипи:

Дублювання – паралельне функціонування одного або одразу декількох допоміжних елементів щодо основного. Спеціальне обладнання проводить моніторинг усіх елементів (як основного, так і допоміжних) в реальному часі та вибирає найбільш надійне рішення з усіх можливих, наприклад по схемі співпадіння «два з трьох». Даний тип резервування є рекомендованим на основі специфічності технологічного процесу, що розглядається в даній роботі, але водночас він же – найдорожчий з усіх трьох типів резервування;
Холодне резервування. Найбільш уживаний та найдешевший спосіб, в умовах даного технологічного процесу не рекомендується. Полягає в наступному алгоритмі: при закупівлі обладнання на об’єкт закуповуються запасні елементи та приналежності в розмірі близько 10% складових частин виробів. За відмови будь-якого елементу він міняється на запасний.
Гаряче резервування – середній за надійністю, вживаністю та вартістю спосіб. Полягає в тому, що резервний елемент знаходиться в гарячому резерві, тобто відслідковує внутрішній стан основного елемента, та копіює його у себе. В разі відмови основного елемента резервний починає працювати майже з точки відмови, чим реалізується безперебійність технологічного процесу [4].

Виходячи зі специфіки даного технологічного процесу можна зробити висновок, що захисна функція майже повністю залежить від справності та похибок вимірювань параметрів технологічного процесу. Тому найжорсткіші вимоги мають бути висунені до підбору датчиків та до їх резервування.

Вимоги до похибок регулювання задовольняються в повній мірі за рахунок підбору високоточного контролера Овен ПЛК150, що має клас точності 0,5 , значну кількість дискретних входів та виходів, що зумовлює можливість підключення одразу декількох датчиків, а оскільки контролер є вільно програмованим, то є можливість забезпечення будь-якого з видів резервування програмним шляхом (що зумовлює собою підвищення надійності захисної функції).

Нарешті вимоги до інформаційної функції задовольняються використанням HMI/SCADA-системи Wonderware InTouch. Вона дозволяє операторові повністю контролювати перебіг технологічного процесу, повідомляє про вихід параметрів ТП за необхідні межі, а також доповнює собою реалізацію захисної функції за рахунок унеможливлення неавторизованого доступу до системи [4].

Вибір програмної і апаратної платформи

АСУ ТОУ

Як вже було зазначено вище (див. п. 1.4. «Опис функціональної структури АСУ ТОУ») автоматична система управління технологічним процесом є дворівневою.

Платформою верхнього рівня є HMI/SCADA-система Wonderware InTouch. Наведемо її основні властивості:

Інтелектуальні графічні можливості і незалежні від роздільної здатності екрану графічні об'єкти для створення реалістичної і чіткої графіки;
Різноманітний інструментарій створення сценаріїв для розширення і налаштування програм;
Система розподілених алармів, ведення історії в реальному часі для аналізу перебігу технологічного процесу;
Вбудовані тренди - реального часу та історичні;
Інтеграція елементів управління Microsoft ActiveX і .NET;
Велика бібліотека, що включає більше 500 попередньо створених і настроюваних графічних об'єктів і символів;
Підтримка Microsoft Remote Desktop Services, аутентифікації за допомогою смарт-карт і технології віртуалізації Hyper-V та ін. [7].

Платформою нижнього рівня обрано контролер Овен ПЛК150.

Контролер призначений для вимірювання фізичних величин, значення яких первинними перетворювачами (датчиками) може бути перетворено в напругу постійного струму, уніфікований елетричний сигнал постійного струму, або активний опір.

- Вимірювання аналогових сигналів струму або напруги;

- Вимірювання дискретних вхідних сигналів;

- Управління дискретними (релейними) виходами;

- Управління аналоговими виходами;

- Прийом і передачу даних по інтерфейсах RS -485, RS -232, Ethernet;

- Виконання користувальницької програми з аналізу результатів вимірювання дискретних та аналогових входів.

- Управління дискретними входами і виходами, передачі і прийому даних по інтерфейсах RS -485, RS -232, Ethernet [6].

Технічні характеристики контролера Овен ПЛК150 зазначено у таблицях 1 – 5.

Таблиця 1. Дискретні входи Овен ПЛК150

Кількість дискретних входів	6
Гальванічна ізоляція дискретних входів	є, групова
Електрична міцність ізоляції дискретних входів	1,5 кВ
Максимальна частота сигналу, що подається на дискретний вхід	1 кГц при програмної обробці 10 кГц при застосуванні апаратного лічильника і обробника енкодера

Таблиця 2. Дискретні виходи Овен ПЛК150

Кількість дискретних виходів	4 е / м реле
Характеристики дискретних виходів	Ток комутації до 2 А при напрузі не більше 220 В 50 Гц і cos φ> 0,4
Гальванічна ізоляція дискретних виходів	є, індивідуальна
Електрична міцність ізоляції дискретних виходів	1,5 кВ

Таблиця 3. Аналогові входи Овен ПЛК150

Кількість аналогових входів	4
Типи підтримуваних уніфікованих вхідних сигналів	Напруга 0 ... 1 В, 0 ... 10 В, -50 ... +50 мВ Ток 0 ... 5 мА, 0 (4) ... 20 мА Опір 0 ... 5 кОм Типи підтримуваних датчиків термоопору: ТСМ50М, ТСП50П, ТСМ100М, ТСП100П, ТСН100Н, ТСМ500М, ТСП500П, ТСН500Н, ТСП1000П, ТСН1000Н термопари: ТХК (L), ТЖК (J), ТНН (N), ТХА (K), ТПП (S), ТПП (R), ТПР (В), ТВР (А +1), ТВР (А +2)
Розрядність вбудованого АЦП	16 біт
Внутрішній опір аналогового входу: в режимі вимірювання струму в режимі вимірювання напруги 0 ... 10 В	50 Ом Близько 10 кОм
Час опитування одного аналогового входу	1,5 с
Межа основної зведеної похибки вимірювання аналоговими входами	± 0,5%
Гальванічна ізоляція аналогових входів	відсутня

Таблиця 4. Аналогові виходи Овен ПЛК150

Кількість аналогових виходів	2
Розрядність ЦАП	10 біт
Гальванічна ізоляція аналогових виходів	групова
Електрична міцність ізоляції аналогових виходів	1,5 кВ

Таблиця 5. Інтерфейси зв’язку Овен ПЛК150

Інтерфейси

Швидкість обміну по інтерфейсах RS

Ethernet 100 Base - T
RS -232
RS -485

від 4800 до 115200 bps

протоколи ОВЕН

ModBus RTU, ModBus ASCII
DCON
ModBus TCP
GateWay (протокол CoDeSys)

Проектування АСУ ТОУ

Структура програмно-технічного комплексу

засобів автоматизації (ПТКЗА)

В даному проекті розглядається дворівнева автоматична система управління температурою в топці барабанного котла. Верхній рівень АСУ представлений HMI/SCADA-системою Wonderware InTouch. Нижній рівень функціонує на базі програмованого логічного контролера Овен ПЛК150.

Рис.8 . Структурна схема ПТКЗА

Принцип роботи вищевказаної схеми наступний: за допомогою термопари Метран ТПП 211-13 виконується відбір температури відтічних димових газів в зварювальній зоні методичної печі. Вихідним сигналом даної термопари є уніфікований сигнал (4..20 мА постійного струму). Він надходить на відповідний аналоговий вхід контролера Овен ПЛК150. Контролер здійснює обробку отриманого сигналу, порівнює отримане значення з заданим, розраховує сигнал неузгодження та пропорційно величині цього сигналу подає командний вплив на аналоговий вихід, до якого підключено електропривід поворотної заслінки газопроводу Belimo CM24-SR-L. Даний електропривід керує поворотною заслінкою, повертаючи її пропорційно отриманому вхідному впливу на певний кут в межах (0°..90°).

Рис. 9. Наглядне зображення роботи контролерного рівня АСУ

SCADA/HMI-система Wonderware InTouch опитує контролер через стандартну польову шину (Modbus/RS-232), забирає дані від контролера, та надсилає дані до контролера через ту саму шину.

Барабанний котел 📙 Курсовая → 🆔 35866